Разработка тренажерного оборудования для повышения безопасности технологических процессов на нефтегазовых объектах

На правах рукописи

Гиниятов Ильнур Гумарович

РАЗРАБОТКА ТРЕНАЖЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТАХ

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2009

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете на кафедре «Пожарная и промышленная безопасность».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамилевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Байков Игорь Равильевич;

кандидат технических наук, доцент

Насыров Рашит Вильевич

Ведущая организация ООО «РН-УфаНИПИнефть».

Защита состоится «25» сентября 2009 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «25» августа 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

Актуальность темы

В настоящее время нефтегазовый комплекс представляет собой наиболее динамично развивающуюся отрасль не только в России, но и во всем мире. Разрабатываются новые месторождения нефти и газа, строятся новые и реконструируются существующие трубопроводные системы, перерабатывающие заводы, внедряется новое оборудование. При этом все более жесткими становятся требования к пожарной и промышленной безопасности всех технологических процессов (ТП). В существующих условиях велико значение так называемого «человеческого фактора» и соответственно качества профессиональной подготовки оперативного и диспетчерского персонала. Именно операторы и диспетчеры в случае возникновения аварийной ситуации должны в максимально короткое время уметь найти правильное решение. От профессионализма операторов и диспетчеров зависит не только пожарная и промышленная безопасность, сохранность дорогостоящего технологического оборудования, но и жизни людей.

В процессе обучения оперативного и диспетчерского персонала применяются различные компьютерные обучающие системы. Для получения навыков безопасного управления технологическим процессом, эффективными средствами обучения являются компьютерные задачники, лабораторные практикумы и, в большей степени, компьютерные тренажеры. Именно тренажеры дают операторам и диспетчерам «процедуральные знания», т.е. знания о том, как организована практическая деятельность, в отличие от «декларированного знания» об объекте, содержащегося в компьютерных справочниках, учебниках, системах контроля знаний и т.д.

Работам в области повышения уровня промышленной безопасности нефтегазовых объектов с использованием информационно-аналитических и компьютерных систем посвящены научные труды авторов: С.М. Вайнштока, В.В. Грачева, Л.И. Григорьева, М.А. Гусейнзаде, В.М. Дозорцева, О.М. Иванцова, С.Е.Кутукова, М.В. Лурье, И.И. Мазура, Р.Т. Файзуллина и др. Эффективность использования тренажеров для профессиональной подготовки персонала рассматривались в работах В.В. Вершинина, Ю.З. Гильбуха, Ф.Д.Лыскова, Б.Л. Омельяненко и др.

Усложнение технологий производства и систем управления технологическими процессами (далее ТП), статистика аварийности, огромный промышленный и экологический риск при управлении объектами нефтегазового комплекса, значительный вес ошибок операторского управления ТП в общем числе причин аварий определяют актуальность разработки и внедрения компьютерных тренажеров для обучения операторов и диспетчеров ТП.

Современные информационные технологии создают качественно новую ситуацию в компьютерной поддержке системы промышленной безопасности. Новым перспективным направлением развития информационных технологий обеспечения промышленной безопасности является соединение в одном программно-техническом комплексе возможностей тренажеров для операторов технологических процессов и программ анализа потенциальных опасностей. Такое соединение позволит поднять всю систему промышленной безопасности на качественно новый научно-технический уровень и даст возможность при создании паспорта риска предприятия решать вопрос о базисном типе возможной аварии (место возникновения, причины, ожидаемые последствия, возможность ликвидации своими силами), используя весьма точные модели технологических процессов и систем управления.

В связи с этим тематика исследований, затрагивающих вопросы разработки тренажеров для наиболее эффективного обучения оперативного персонала и повышения уровня промышленной безопасности предприятий нефтегазового сектора, является актуальной.

Цель работы

Целью работы является разработка общих принципов построения программно-технических тренажерных комплексов, а также методического и программного обеспечения для обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов.

Задачи исследования

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих тренажерных систем, тенденций их развития и общих составляющих программно-технических тренажерных комплексов.
2. Разработка концептуальной модели процесса обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов на основе программно-технических тренажерных комплексов.
3. Разработка метода обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов на основе программно-технических тренажерных комплексов.
4. Разработка программно-технического тренажерного комплекса для обучения деятельности по обеспечению промышленной безопасности при управлении объектами транспорта нефти и нефтепродуктов в штатных и нештатных ситуациях.
5. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенных методов.

Методы решения поставленных задач

В основе проводимых в диссертационной работе исследований используются методы системного анализа, математического моделирования, ситуационного и автоматизированного компьютерного обучения, теория баз данных и методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

Научная новизна и теоретическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

1. Выполнена полукачественная идентификация технологических процессов возникающих при транспортировании нефти и нефтепродуктов по трубопроводам путем построения имитационных феноменологических математических моделей и их аналитического исследования. Построение указанных моделей основано на декомпозиции объекта на составляющие (подсистемы): технологического процесса, системы управления, системы отображения, имитатора аварийных ситуаций и базы данных настроечных параметров. На основании полученных решений установлены и определены аналитические зависимости изменения технологических параметров моделируемого участка трубопроводов, что позволило создать тренажерные комплексы максимально соответствующие реальным технологическим объектам.
2. Выполнено численное решение научной задачи связанное с построением и исследованием устойчивости и адекватности математических моделей трубопроводов для тренажерных комплексов. Разработаны имитационные математические модели технологического процесса транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам с использованием двух различных методов расчета. Для вывода систем уравнений моделируемых участков трубопроводов в первом варианте использованы теорема количества движения, закон сохранения массы и уравнения состояния, во втором варианте использованы гидравлические аналоги 1-го и 2-го законов Кирхгофа. На основании исследования этих вариантов моделей определено, что установленным критериям устойчивости и адекватности моделирования соответствует первый вариант математической модели.
3. Предложена и экспериментально доказана концепция снижения риска аварийности и травматизма в нефтегазовой отрасли на основе обучения операторов и диспетчеров деятельности по обеспечению промышленной безопасности при управлении в штатных и нештатных ситуациях. Сущность концепции состоит в том, что при обучении оперативного и диспетчерского персонала с применением разработанного тренажерного комплекса обучаемым прививаются умения по распознаванию ситуаций и моторные навыки управления технологическими процессами, что приводит к повышению надежности операторской деятельности, снижению риска аварийности и травматизма. Применение методов обучения, основанных на данной концепции, позволяет сократить время выполнения действий обучаемых в аварийных ситуациях в среднем в 2 раза, вероятность выполнения ошибочных действий сокращается в 3–8 раз.

Практическая ценность

Практическая ценность исследования состоит в том, что существенно сокращаются сроки подготовки операторов; позволяют им выработать приёмы упреждения ситуаций, уменьшение времени ликвидации и парирования ситуаций; удобство обучения и непрерывность подготовки.

Разработанный тренажерный комплекс и метод обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов внедрены и успешно используются в системе внутрифирменного профессионального образования ОАО «АК «Транснефть». Разработанный тренажерный комплекс так же используется при проведении ежегодных конкурсов «Лучший по профессии» среди операторов НПС в ОАО «АК «Транснефть» в период с 2004 г. по настоящее время. Практическое использование разработанных тренажерных комплексов и методик обучения подтверждено актами внедрения.

Основные защищаемые положения

На защиту выносится:

1. Метод проектирования и разработки тренажерных комплексов для обучения оперативного и диспетчерского персонала.
2. Феноменологическая математическая модель технологического процесса транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, реализующая моделирование основных и вспомогательных параметров работы технологического участка.
3. Метод обучения оперативного и диспетчерского персонала с применением разработанного тренажерного комплекса действиям в штатных и нештатных ситуациях

Апробация работы

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались в рамках V Конгресса  нефтегазопромышленников России на конференции «Метрология, автоматизация, связь в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 19 мая 2004 г.), и в рамках VІ Конгресса нефтегазопромышленников России на конференции «Автоматизация и метрология в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 25 мая 2005 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, отражающих основные результаты работы, три из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки Российской Федерации, получено два свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (123 наименования) и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 138 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.

Общее содержание работы

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы; сформулированы цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу тенденций развития и проблематики прикладных информационных технологий. В результате установлено, что одной из наиболее актуальных областей повышения промышленной безопасности является создание автоматизированных обучающих систем и тренажерных комплексов для подготовки персонала по работе в штатных и нештатных ситуациях.

Анализ данных по отказам, вызвавших аварийные остановки НПС за 2002-2004 гг., показал, что аварийность на объектах ОАО «АК «Транснефть» по вине оперативного и диспетчерского персонала составляет 9,1%, что главным образом обусловлено отсутствием готовности к работе в сложных штатных и нештатных ситуациях (рисунок 1).

В настоящее время для опасных производств в соответствии с «Общими правилами взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09-540-03)» использование тренажеров для обучения является обязательным. Однако экономическая ситуация часто не позволяет руководителям многих предприятий использовать в процессе подготовки персонала тренажерные комплексы.

Рисунок 1 – Распределение отказов по видам в ОАО «АК «Транснефть» за 2002-2004гг.

Проведен сравнительный анализ некоторых существующих тренажерных комплексов для обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти. Установлено, что декомпозиция процесса управления на типовые этапы: распознавание ситуации, принятие решения, выбор управляющего воздействия, контроль эффективности собственных действий в нештатных ситуациях позволяет решать задачу подготовки операторов с использованием специальных тренажеров.

На основании проведенного исследования, а также анализа задач, решаемых существующими тренажерами, были сформулированы требования к тренажерной системе по подготовке диспетчерского и оперативного персонала по обеспечению промышленной безопасности при управлении объектами транспорта нефти и нефтепродуктов в штатных и нештатных ситуациях. Такая система должна обеспечивать:

1. Моделирование работы основных технологических узлов НПС (резервуарные парки, насосные агрегаты, узлы учет нефти и т.д.).
2. Моделирование работы линейной части магистрального нефтепровода.
3. Моделирование работы вспомогательных систем НПС (маслосистема, энергоснабжение, система контроля вибрации и т.д.).
4. Возможность одновременной работы группы учеников (совместная работа операторов НПС и диспетчеров РДП).
5. Наличие системы контроля действий учеников.
6. Возможность пополнения базы данных сценариев учебных примеров пользователем.
7. Возможность изменения экранных форм пользователем.
8. Возможность изменения моделируемой технологической схемы участка нефтепроводов пользователем.

Вторая глава посвящена разработке концептуальной модели обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти в учебных центрах ОАО «АК «Транснефть» с использованием тренажеров. В рамках данного подхода подготовка к деятельности предусматривает работу как в штатных ситуациях, так и в аварийных ситуациях агрегатного и станционного характера.

Предлагаемая схема практической подготовки оперативного и диспетчерского персонала представлена на рисунке 2. Обучающая система, основными элементами которой являются модель ТП и модель системы управления (далее СУ), установлена на автоматизированное рабочее место (далее АРМ) преподавателя и АРМ учеников.

Рисунок 2 – Схема тренажерной подготовки

Преподаватель наделяется следующими функциями:

1. контроль за действиями учеников;
2. сохранение начальных состояний моделируемого технологического процесса;
3. загрузка ранее сохраненных начальных состояний моделируемого технологического процесса;
4. изменение параметров моделируемого технологического процесса;
5. имитация отказов в работе основного оборудования, вспомогательных систем, КИПиА;
6. имитация возникновения утечек на нефтепроводах;
7. возможность имитации последовательности возникновения различных отказов в работе оборудования (сценарии развития нештатных ситуаций);
8. формирование и печать протоколов действий каждого ученика при завершении учебного занятия.

Ученик со своего рабочего места оценивает текущую ситуацию на технологическом объекте и производит управляющие воздействия, направленные на поддержку заданного технологического режима работы оборудования, на локализацию последствий возникших аварийных ситуаций или иные действия в зависимости от текущей ситуации на объекте.

Предложен метод обучения на базе разработанного тренажерного комплекса. Он включает комплексы учебных заданий, направленных на подготовку к работе по приемке смены, работе в штатном режиме и действиям в нештатных аварийных ситуациях. Данный метод позволяет существенно сократить время выполнения учебных заданий, то есть повысить скорость реакции на аварийные ситуации, а также повысить долю правильно выполняемых действий.

Третья глава посвящена реализация тренажерной системы подготовки оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти в учебных центрах ОАО «АК «Транснефть».

В соответствии с разработанным методом построения тренажеров был разработан тренажерный комплекс для обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов, включающий разработанную математическую модель технологического процесса транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, разработанную модель системы управления, разработанный генератор аварийных ситуаций. Обобщенная схема тренажерного комплекса представлена на рисунке 3.

При работе тренажерного комплекса с АРМ преподавателя осуществляется загрузка сохраненных ранее исходных состояний моделируемого ТП.

Исходные данные загружаются в математическую модель основных ТП, модель СУ и модель вспомогательных ТП. Все параметры (основные и вспомогательные) моделируемого технологического процесса отслеживаются моделью СУ, которая в случае достижения какого-либо параметра предельного или аварийного значения производит управляющие воздействия (изменяет состояния задвижек, заслонок, агрегатов и т.д.) в соответствии с алгоритмами управления на реальном объекте.

Рисунок 3 – Обобщенная схема тренажерного комплекса

Данные о технологическом процессе передаются в базу данных (хранение исторических трендов, настроечные параметры и т.д.) и через систему отображения (SCADA-пакет) на АРМ учеников и АРМ преподавателя.