Разработка тренажерного оборудования для повышения безопасности технологических процессов на нефтегазовых объектах

С АРМ учеников возможно управление технологическим оборудованием так, как это производится на реальных технологических объектах. В зависимости от поставленной преподавателем задачи ученики следят за технологическим процессом или осуществляют технологические переключения.

Преподаватель через генератор аварийных ситуаций может воздействовать на модель основных ТП, модель вспомогательных ТП и модель СУ. К таким воздействиям относятся:

• имитация утечки на линейном участке трубопровода;
• недостоверность показаний контролируемых параметров, изменения показаний (достижение предельных или аварийных значений);
• отказ в управлении технологическим объектом (имитация обрыва управляющей цепи).

В связи с тем, что моделируемый ТП является сложным, с большим количеством взаимосвязанных параметров и подсистем при разработке математической модели ТП параметры условно разделили на две группы: основные и вспомогательные технологические параметры.

Значения основных технологических параметров, передаваемые в модель СУ, представляются в следующем виде:

П = Пр + Ппр,

где Пр = f(t) – значение контролируемого параметра в контрольной точке от времени (рассчитывается математической моделью);

Ппр – отклонение параметра, задаваемое с АРМ преподавателя (имитация неисправности датчика или аварийной ситуации).

Разработано программное обеспечение, позволяющее производить расчет основных технологических параметров моделируемой технологической схемы с использованием двух методов расчета:

1. Составление и расчет дифференциальных уравнений движения жидкости по трубопроводу на основе теоремы количества движения, закона сохранения массы и уравнения состояния (математическая модель№1):

где – давление;

– осредненная по сечению скорость течения жидкости;

с – скорость звука в данной жидкости;

– коэффициент гидравлического сопротивления;

D – диаметр трубопровода.

Моделируемая технологическая схема нефтепроводов условно разбивается на участки по следующему принципу: начало первого участка – резервуар, конец первого участка – ближайший узел или технологический элемент (задвижка, насос, клапан и.т.д.); начало второго участка – конец первого, конец второго – следующий ближайший узел или технологический элемент и т.д.; конец последнего участка – резервуар. Таким образом, все участки являются взаимосвязанными по краевым условиям, расчет параметров ведется для каждого участка и соответственно для всей схемы со скважностью, определяемой возможностями ЭВМ.

2. Составление и расчет уравнений, на основании 1-го и 2-го законов Кирхгофа вида (математическая модель №2):

a11 x1 + : : : + a1n xn = Q1;

: : :

ak1 x1 + : : : + akn xn = Qk;

a(k+1)1 x1 1-1 x1 + : : : + a(k+1)n xn n -1 xn = H1;

: : :

an1 x1 1-1 x1 + : : : + ann xn n -1 xn = Hn-k,

где xi - расход в i-той трубе;

аij – коэффициент, определяемый по 1-му или 2-му закону Кирхгофа (для 1-го закона Кирхгофа втекающий в контрольную точку поток привносит коэффициент, равный единице, вытекающему потоку отвечает коэффициент, равный минус единице; для 2-го закона Кирхгофа и для нелинейных уравнений аij – коэффициент сопротивления трубы);

Нi - приложенные напоры;

Qi – отбор в узле;

i – степень в законе зависимости величины напора от значения расхода.

Суть метода расчета следующая: система трубопроводов описывается уравнениями, составленными исходя из 1-го и 2-го законов Кирхгофа, и решается со скважностью, определяемой возможностями ЭВМ.

Для выбора оптимального метода расчета основных технологических параметров проведены экспериментальные исследования на соответствие моделей следующим критериям:

1. адекватность расчетных параметров реальному объекту в стационарных состояниях;
2. адекватность расчетных параметров реальному объекту в нестационарных состояниях;
3. устойчивость моделирования ТП.

Результаты проведенных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты исследования математических моделей ТП

№ п/п	Наименование исследования, контролируемый параметр	Значение параметра для математической модели №1		Значение параметра для математической модели №2
		Допустимое	Фактическое	Допустимое	Фактическое
1	Адекватность в стационарных состояниях, отклонение (%)	5,00	1,60	5,00	2,48
2	Адекватность в нестационарных состояниях, максимальное отклонение (%)	10,00	4,39	10,00	16,81
3	Устойчивость моделирования ТП, отклонение (%)	1,00	0,40	1,00	0,50

Результаты исследования показали, что математическая модель ТП, составленная исходя из 1-го и 2-го законов Кирхгофа, не соответствует установленному критерию адекватности моделирования нестационарных состояний. Допустимое значение максимального отклонения составляет 10,00%, фактическое значение – 16,81%.

Моделирование значений вспомогательных технологических параметров в контрольных точках производится согласно следующему уравнению (рисунок 4):

Т = Т0 + Тп + Тр + Тпр,

где Т0 – начальное значение параметра, загружаемое по умолчанию при пуске программного обеспечения;

Тп – значение помехи, единичного отклонения от заданного значения;

Тр = f(t) – значение изменения параметра в контрольной точке от времени (нагрев обмоток работающего электродвигателя, изменение уровня во вспомогательных емкостях при работающих насосах и т.д.);

Тпр – отклонение параметра, задаваемое с АРМ преподавателя (имитация неисправности датчика или аварийной ситуации).

Рисунок 4 – Диаграмма моделирования вспомогательных параметров

Для различных видов моделируемых вспомогательных технологических параметров начальные, рабочие, предельные и аварийные значения определяются в соответствии со значениями, установленными в регламентах, из реальных данных технологического процесса и значений уставок срабатывания СУ.

Время выхода на рабочий режим и вид функции Тр = f(t) для каждого моделируемого технологического параметра так же определятся исходя из реальных данных технологического процесса.

Описание принятых алгоритмов изменения различных моделируемых вспомогательных параметров представлено в таблице 2.

Спроектированы основные элементы и библиотека готовых типовых элементов системы отображения диспетчерской информации для мнемонических схем, соответствующих наблюдаемым и управляемым компонентам насосных станций и линейного участка нефтепроводов с АРМ оператора и АРМ диспетчера. Разработан программный модуль «дизайнер» системы отображения экранных форм операторов НПС и диспетчеров РДП с учетом действующих требований регламентов ОАО «АК «Транснефть».

Таблица 2 - Функции Тр = f(t) для различных параметров

№ п/п	Наименование вспомогательного параметра	Описание функции
1	Температура в контрольных точках	Условие начала изменения – пуск агрегата; Начальное значение (t0) = 20 °C; Рабочее значение (tр) = 50 °C; Значение помехи = ±5 °C; Тр = k – линейная функция; – время, с. k = 0,5.
2	Вибрация в контрольных точках	Условие начала изменения – пуск агрегата; Начальное значение (а0) = 0 мм/с; Рабочее значение (ар) = 3 мм/с; Значение помехи = ±0,5 мм/с; 1 – время достижения максимального значения вибрации агрегата при пуске, с. 2 – время достижения рабочего значения вибрации агрегата при пуске, с. – максимальное (пусковое) значение вибрации агрегата, мм/с; k1 = 5; k2 = 3.

Окончание таблицы 2

№ п/п	Наименование вспомогательного параметра	Описание функции
3	Сила тока электродвигателей	Условие начала изменения – пуск агрегата; Начальное значение (i0) = 0 мм/с; Рабочее значение (iр) = 700 А; Значение помехи = ±10 А; 1 – время достижения максимального значения тока агрегата при пуске, с. 2 – время достижения рабочего значения тока агрегата при пуске, с. – максимальное (пусковое) значение тока агрегата, А; k1 = 5; k2 = 3.
4	Уровни продукта во вспомогательных емкостях	Условие начала изменения – пуск насоса (откачки утечек, пожарного насоса и т.д.); Начальное значение – сохраненное в исходных данных значение; Значение помехи = ±1 мм; Тр = kt – линейная функция; k = 0,05.
5	Загазованность в контрольных точках	Условие начала изменения – пуск насоса; Начальное значение (t0) = 0 %; Рабочее значение (tр) = 0 %; Значение помехи = +2 %.
6	Перепад давлений на фильтрах	Условие начала счета – пуск тренажера; Начальное значение – сохраненное в исходных данных значение; Значение помехи = ±0,01 кгс/см2.
7	Состояния вспомогательных систем	Условие начала счета – пуск тренажера; Начальное состояние – сохраненное в исходных данных состояние.
8	Содержание примесей в продукте	Условие начала счета – пуск тренажера; Начальное значение – сохраненное в исходных данных значение; Значение помехи = ±0,05%.

Разработан имитатор аварийных ситуаций, позволяющий реализовать режим обучения, максимально соответствующий реальному рабочему месту, и метод его применения, отличающийся возможностью задания набора аварийных событий в виде определенной согласованной последовательности.

Четвертая глава посвящена исследованию эффективности применения тренажерных обучающих комплексов оперативного и диспетчерского персонала в интересах повышения промышленной безопасности при управлении объектами транспорта нефти и нефтепродуктов.

Для проведения эксперимента были взяты 2 группы по 25 (первая группа) и 21 (вторая группа) человек соответственно. Каждая группа находилась в отдельном компьютерном классе и не обладала информацией о действиях другой группы. При этом первая группа выполняла задания с предварительным обучением при помощи тренажерной обучающей программы, а вторая на основе методических материалов на бумажном носителе.

Проведенный анализ показал, что наиболее адекватными характеристиками оценки эффективности результатов обучения с использованием разработанной тренажерной системы являются показатели времени выполнения определенных действий, доля правильных действий, среднее квадратическое отклонение (СКО) времени выполнения действий и доли правильных действий, а также такие сравнительные показатели, как коэффициент усвоения и коэффициент сокращения времени выполнения.

Проведенные исследования эффективности разработанной тренажерной системы показали, что при решении типовых задач приемки смены среднее время приемки сокращается с 18 до 15 минут, что при уровне значимости =0,01 является статистически значимым различием. Доля правильных действий увеличивается с 76 до 97%. Соответственно в восемь раза уменьшается количество ошибок. При решении проблем аварийной ситуации на одной из подсистем среднее время правильной реакции сокращается почти в два раза, стандартное отклонение (разброс) времени – в 2,5 раза. Доля правильных действий увеличивается с 64 до 89%, то есть более чем в три раза сокращается доля ошибочных действий. При решении проблем аварийной ситуации станционного характера среднее время реакции сокращается с 19,1 до 10,5 минут, стандартное отклонение (разброс) времени – в 2,7 раза. Доля правильных действий увеличивается с 57 до 84%, то есть в два с лишним раза уменьшается доля ошибочных действий.

Рисунок 5 – Сравнительные показатели при выполнении приемки смены

Рисунок 6 – Сравнительные показатели при выполнении заданий с аварийными ситуациями агрегатного типа

Рисунок 7 – Сравнительные показатели при выполнении заданий с аварийными ситуациями станционного типа

Выводы и результаты

1. Анализ данных по обучению персонала сложных технических систем с использованием современных тренажерных комплексов 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. Это положение требует применение для подготовки оперативного и диспетчерского персонала имитационных тренажеров нового поколения. Установлено, что в структуре тренажеров необходимым является наличие подсистемы генерации и анализа аварийных ситуаций, которая в большинстве известных систем либо не реализована, либо реализована не в полном объеме.
2. Предложен новый метод построения тренажерного комплекса для подготовки диспетчеров и операторов трубопроводного транспорта на базе единого подхода, новых моделей и метода типизации. Он заключается в построении математической модели типового участка нефтепровода, модели типовой СУ, проектировании типовой системы отображения диспетчерской информации, базы данных и типового имитатора аварийных ситуаций. Типовой имитатор СУ спроектирован на основе РД, регламентирующих тип, место и время возникновения ситуации.
3. Разработано новое программное обеспечение тренажерного комплекса для обучения деятельности по обеспечению промышленной безопасности при управлении объектами транспорта нефти и нефтепродуктов в штатных и нештатных ситуациях на основе концептуальных моделей деятельности человека–оператора. В составе тренажерного комплекса впервые разработан имитатор аварийных ситуаций, позволяющий реализовать режим обучения, максимально соответствующий реальному рабочему месту, и метод его применения, отличающийся возможностью задания набора аварийных событий в виде определенной согласованной последовательности.
4. Предложена и экспериментально доказана концепция снижения риска аварийности и травматизма в нефтегазовой отрасли на основе обучения деятельности по распознаванию ситуаций и отработке моторных навыков управления технологическими процессами. 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.
5. Экспериментальное исследование разработанных методов, моделей и алгоритмов показало с достоверностью =0,95, что в штатных режимах в три раза уменьшается количество ошибок. С тем же уровнем достоверности установлено, что при решении проблем аварийной ситуации на одной из подсистем среднее время правильной реакции сокращается в два раза, а доля правильных действий увеличивается с 64 до 89%, то есть более чем в три раза сокращается доля ошибочных действий. На том же уровне достоверности установлено, что при решении проблем аварийной ситуации станционного характера среднее время реакции сокращается в два раза (с 19,1 до 10,5 минут), а доля правильных действий увеличивается с 57 до 84%, то есть в два с лишним раза уменьшается доля ошибочных действий.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Гиниятов И.Г. Проблема самовозбуждения емкостных электрических машин // Материалы II Международной конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации». - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2001. С.236.
2. Гиниятов И.Г., Аиткулов Ф.Ф., Нугуманов В.Г., Шевченко Д.И. Тренажерный комплекс для обучения операторов НПС, диспетчеров РДП и ремонтного персонала // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. - №4. С. 13-16.
3. Гиниятов И.Г., Шевченко Д.И., Ахряпов В.С., Кудрявцев А.А. Имитационные тренажеры и автоматизированные системы обучения // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2005. - №3. С. 26-30.
4. Гиниятов И.Г., А.Д.Галиев, Шевченко Д.И. Эффективное обучение персонала // Ежемесячный научно-практический журнал «Ростехнадзор. Наш регион». – Уфа: ООО «Информ-сервис», 2006. - №9. –С.62-63.
5. Гиниятов И.Г., А.Д.Галиев, Д.И.Шевченко Эффективное обучение персонала // Ежемесячный научно-практический журнал. «Ростехнадзор. Наш регион» – Уфа: Изд-во ООО «Информ-сервис», 2006г. - №10. –С.58-62.
6. Гиниятов И.Г., Хафизов Ф.Ш., Шевченко Д.И., Кудрявцев А.А. Использование обучающих систем и тренажерных комплексов в процессе обучения// Сб. научных трудов «Обеспечение промышленной безопасности на предприятиях нефтегазовой отрасли» - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. С. 80-83.
7. Гиниятов И.Г., Сафончик Е.И., Хафизов Ф.Ш., Кудрявцев А.А. Имитационный тренажер для обучения технического персонала ОАО «АК «Транснефть» // Журнал «itech – интеллектуальные технологии». -2008. -№9. С. 70-71.
8. Гиниятов И.Г., Хафизов Ф.Ш., Кудрявцев А.А. Подготовка и тренинг персонала объектов нефтегазового комплекса с использованием имитационных тренажеров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - Уфа: Изд-во ГУП «ИПТЭР». -2008г. -№4 (74). -С. 115-118.
9. Giniyatov I.G., Schevchenko D.I., Nugumanov V.G., Kudryavtsev A.A. Computer-aided training systems and simulators// Antaliya, Turkey, CSIT. - September 15-17. -2008. -V.3. -Р.123-127.
10. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611823. TransNNP. Программа имитации объектов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов / Шевченко Д.И., Гиниятов И.Г, Кудрявцев А.А. – Заявка №2005611724 от 11.07.2005 г.; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.07.2005 г.
11. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612079. TransNNP_RP. Программа моделирования и имитации объектов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов / Шевченко Д.И., Гиниятов И.Г, Кудрявцев А.А. – Заявка №2007611555 от 2
    
    
    Pages:     | 1 |

    2

    |