Развитие теории и методов управления промышленной безопасностью на предприятиях трубопроводного транспорта углеводородов

Для предотвращения попадания режима работы ГПА в зону помпажа производится оптимизация режима работы цеха компрессорной станции (КС). Оптимизация производится путем выбора числа оборотов ротора центробежного нагнетателя (ЦН), обеспечивающего поддержание заданного давления. Для оптимизации режима работы цеха КС используются газодинамические характеристики установленного типа ЦН. Также для оптимизации используются диспетчерские данные, полученные с контроллеров, установленных на ЦН.

Для решения задачи определения индивидуальных газодинамических характеристик нагнетателей ГПА была разработана математическая модель, позволяющая определить расход газа через нагнетатель ГПА с учетом коэффициента расхода конфузора. Расчет проводится на основе диспетчерских данных с учетом схемы подключения агрегатов в цехе, типов используемых агрегатов и условий отбора топливного газа. Определив коэффициент расхода конфузора, затем находим значение расхода газа через нагнетатель. Далее производится расчет индивидуальных газодинамических характеристик с учетом полученного значения расхода и диспетчерских данных, соответствующих данному расходу.

Также для решения задачи определения индивидуальных газодинамических характеристик нагнетателей ГПА необходимо знать значение расхода на входе цеха КС. С учетом условия отбора топливного газа расход на входе цеха КС при отборе топливного газа со входа КЦ будет равен расходу на входе цеха за вычетом расхода на собственные нужды цеха или, в случае отбора топливного газа с выхода цеха КС, расходу на входе цеха.

Имея выборку поколений данных за некоторый интервал времени, для определения коэффициента расхода конфузора ЦН можно составлять системы линейных уравнений с шагом t:

, (7)

где – расход на входе компрессорного цеха в момент времени t1;

– расход на входе компрессорного цеха в момент времени tn;

– перепад давления на i-м конфузоре в момент времени t1;

– перепад давления на i-м конфузоре в момент времени tn;

– избыточное давление на входе i-го конфузора в момент времени t1;

– избыточное давление на входе i-го конфузора в момент времени tn;

– температура газа на входе i-го конфузора в момент времени t1;

– температура газа на входе i-го конфузора в момент времени tn;

Аi – искомый коэффициент расхода конфузора ЦН;

i – порядковый номер ГПА.

В общем случае система линейных уравнений может ока­заться вырожденной. Согласно схеме распределения расходов газа между агрегатами в цехе, приведенной на рисунке 8, в результате отборов на агрегатах расходы газа изменяются. Следовательно, в коллекторе будет изменяться давление и в меньшей степени температура газа. Поэтому система будет иметь решение даже при наличии равных или близких коэффициентов расходов конфузоров. В случае, если будет получена вырожденная система, следует увеличить шаг фиксирования уравнений системы t. Система решается методом исключения Гаусса с выбором главного элемента.

Рк Рн

Рвс Рнаг

Рвс1 Рвс2

Рнаг1 Рнаг2

Рисунок 8 – Схема последовательно-параллельного соединения

неполнонапорных ГПА на КС

Для агрегатов, подключенных последовательно в группу, расход в каждый момент времени одинаков. Коэффициент расхода определяется сна­чала для первого агрегата в группе, затем через расход первого агрегата определя­ется коэффициент расхода конфузора нагнетателя и расход второго агрегата.

Агрегаты, работающие параллельно, могут быть выстав­лены на разные обороты, и здесь необходимо определить приведенное значение расхода.

Используя полученное значение расхода нагнетателя, диспетчерские данные и но­минальные параметры нагнетателя, определяются его приведенные газодинамиче­ские характеристики: политропический КПД, степень сжатия, приведенную внутреннюю мощность ГПА.

На основе математической модели разработан программный модуль, позволяющий определить индивидуальные газодинамические характеристики. На рисунке 9 приведен рассчитанный с помощью программного модуля политропный КПД.

Рисунок 9 – Политропный КПД работающих агрегатов (2,3,4) и паспортные характеристики типа нагнетателя (1)

Перейдем к нахождению значений информационной энтропии системы «газотурбинная установка». Энтропия по Шеннону определена как:

, (8)

где pi - вероятность i-го состояния, k – количество возможных состояний системы.

Энтропия системы «газотурбинная установка» при возможности нахождения ГПА во всех 5-ти состояниях:

= 0,087797 хартли.

Энтропия системы «газотурбинная установка» при исключении состояния 3:

= 0,083306 хартли.

Уменьшение энтропии системы «газотурбинная установка» составляет

= 0,004491 хартли.

Количество дополнительной информации по Шеннону о системе «газотурбинная установка», получаемой при повышении степени открытости исследуемой системы, определяется, исходя из диапазона изменений реального (не паспортного) политропного КПД, и составляет

J = 0,017932 бит.

Таким образом, была показана практическая возможность уменьшения информационной энтропии реальной технической системы при одновременном увеличении степени ее открытости – это позволяет избежать возврата данной системы к исходному состоянию по показателю энтропии.

Четвертый раздел посвящен решению задачи выбора трассы магистрального нефтепровода по критериям социального, экологического ущерба и стоимости прокладки.

Обеспечение промышленной безопасности на объектах трубопроводного транспорта начинается на этапе проектирования: проектирование регламентируется целым рядом документов, и, кроме того, предусмотрена экспертиза промышленной безопасности проектов. Однако анализ данных процедур показывает, что при проектировании, например магистральных нефтепроводов (МНП), обеспечивается соблюдение норм проектирования, но не проводится минимизация рисков возможных аварий «внутри» регламентирующих нормативных требований.

Из-за сложности процесса проектирования, обусловленной необходимостью обработки больших объемов информации, могут возникнуть различные ошибки, которые способны привести к реализации сценариев «проектных» и «запроектных» аварий. Кроме того, отметим, что задача минимизации последствий возможных аварий на магистральных нефтепроводах на этапе проектирования в чистом виде до сих пор не ставилась. Решение данной задачи требует больших объемов расчетов, и поэтому возникает необходимость разработки специального программного продукта.

В предложенной модели выбор варианта прокладки будет производиться по критериям оценки эффективности проектных решений при определении:

1) min F(i) – экологического ущерба от аварии, возникшей при разгерметизации нефтепровода;

2) min Y(i) – социального ущерба от аварии, возникшей на участке МНП;

3) min R(i) – стоимости прокладки трубопровода, где i – вариант компоновки трассы МНП.

Процедура проектирования размещения оборудования МНП состоит из следующих этапов.

1. Анализ особенностей области прокладки. Возможны:

– обычные условия;

– обводненность;

– скальные грунты;

– просадочные грунты и т.д.

2. Подбор объектов проектирования:

– трубопроводов;

– электрохимзащиты;

– арматуры и т.д.

3. Применение существующих норм проектирования (СНиП и т.д.):

– на прокладку трубопроводов;

– на транспортировку;

– на размещение оборудования и т.д.

4. Проведение расчетов:

– гидравлических;

– прочностных;

– технологического и экологического риска и т.д.

Задача формулируется в виде нахождения оптимальных вариантов прокладки трассы магистрального трубопровода:

k = arg min(S(k)), (9)

где kK=w(P),

– вариант проектного решения прокладки трассы;

k – множество допустимых вариантов прокладки трассы;

– выбранные условия эксплуатации;

– выбранное размещение перекачивающих станций;

– выбранная трассировка трубопроводов;

– выбранное размещение систем ЭХЗ;

– выбранное размещение линейной арматуры;

– выбранное размещение конечного пункта;

– выбранные размещение линий электропередачи;

P – множество вариантов прокладки трассы;

, (10)

где ;;; ;;; –

множества всех возможных вариантов условий эксплуатации, размещения перекачивающих станций, трубопроводов, систем ЭХЗ, арматуры, конечного пункта и ЛЭП; w – модель решения в проекте прокладки трассы.

В качестве целевой функции S(k) рассмотрены суммарные затраты:

S(k) = Sk + Sa, (11)

где Sk – капитальные затраты на строительство, Sa – ущерб от аварий.

Разработанный программный продукт реализует следующие функции:

• ввод данных об авариях и инцидентах на магистральном трубопроводе в базу данных через пользовательский интерфейс;
• ввод данных о вариантах прокладки трубопровода для конкретной местности;
• выполнение расчета экологического и социального ущерба;
• выбор трассы прокладки по трем критериям: стоимость прокладки, экологический и социальный ущербы;
• удобство формы взаимодействия с пользователем, отображения необходимой информации для принятия оптимального варианта прокладки трубопровода.

Из функций и назначения программного продукта следует, что база данных программы должна представлять собой совокупность объектов для хранения и обработки информации двух типов:

• исходная: типы объектов, размерности и т. д.;
• нормативно-техническая: допустимые значения параметров.

Логическая модель базы данных построена на основе анализа объекта исследования и изучения входной и выходной информации, её структуры и назначения. Содержательное описание сущностей и атрибутов логической модели базы данных представлено на рисунке 10.

Разработанный программный продукт позволяет производить ввод и хранение большого массива данных; рассчитывать ущерб и проводить оптимизацию выбора трассы нефтепровода. Окно результатов работы программы представлено на рисунке 11.

Рисунок 11 – Окно результатов работы программы

Рисунок 10 – Логическая модель данных

В пятом разделе исследуется вопрос повышения эффективности управления промышленной безопасностью магистральных нефтепроводов на основе совершенствования страхового механизма снижения риска.

По существу, на этапе эксплуатации наиболее эффективным средством управления промышленной безопасностью магистральных нефтепроводов на макроуровне признается страхование гражданской ответственности предприятий. В настоящее время страхование гражданской ответственности предприятий, эксплуатирующих ОПО, регламентируется федеральными законами, а техническая процедура изложена в нормативных документах страховых компаний.

Диапазон изменения страхового тарифа таков – от 0,2% до 10,7%. Причем выбор конкретной ставки не формализован. Ко всему прочему страхование осуществляется в рамках острой нехватки статистической информации о частоте аварий, их характере и последствиях (ущербе). Отметим, что в классическом страховании жизни также возникают проблемы, связанные с нехваткой апостериорной информации о продолжительности жизни, параметрах ее качества и т.д.

Предлагается решить данную задачу на основе привлечения экспертов, которые выработают оценки регулярности наступления аварий на объекте страхования. Обработка экспертных оценок строится на основе алгоритма нечеткой логики (алгоритма Мамдани). В системах типа Мамдани база знаний состоит из правил вида «Если x1=низкий и x2=средний, то y=высокий».

Для выполнения численных расчетов на этапе дефаззификации исполь­зован метод центра тяжести. Метод центра тяжести рассчитывается по формуле:

(12)

где y – результат дефаззификации; x – переменная, соответствующая выходной лингвистической переменной; µ(х) – функция принадлежности нечеткого множества, соответствующего выходной переменной после этапа аккумуляции; Min и Max – левая и правая точки интервала носителя нечеткого множества рассматриваемой выходной переменной.

Разработанный программный продукт в качестве входных параметров предусматривает проведение экспертной оценки регулярности аварии на ОПО, а также создание базы правил, которую пользователь формирует в специальном редакторе правил. Функционально программа осуществляет:

- добавление и удаление лингвистической переменной;

- добавление и удаление функции принадлежности, а также предоставляет возможность выбора отображения графиков функций (треугольник, трапеция);

- возможность формирования базы правил;

- возможность выбора метода дефаззификации;

- вывод результатов;

- результат дефаззификации;

- отображение использованного правила;

- отображение страхового тарифа в процентах;

- отображение страховой премии в рублях.

Приведем описание подсистем разработанного программного продукта.

1. Подсистема редактирования переменных.

Подсистема предназначена для добавления/удаления и редактирования переменных. При создании новой лингвистической переменной указываем ее имя и область определения, а также тип (входная/выходная).

2. Подсистема редактирования функции принадлежности.

Функцией данной подсистемы является добавление/удаление функции принадлежности, а также визуализация терм-множеств в виде треугольников и трапециевидных фигур. При добавлении нового терма необходимо указывать наименование терма и тип фигуры, а также задать параметры фигуры.

3. Подсистема редактирования правил.

Основой для проведения операции нечеткого логического вывода является база правил, содержащая нечеткие высказывания в форме «Если-то» и функции принадлежности для соответствующих лингвистических термов.

Функцией подсистемы является составление правил, которые будут использоваться на следующих этапах вычислений.

4. Подсистема вывода результатов.

Результатом работы программы являются выходные переменные –тарифный план в процентах и сумма страховой премии в рублях. В программе также предусмотрен вывод промежуточных результатов.

Входные и выходные информационные потоки разработанной программы показаны на рисунке 12.

Рисунок 12 – Информационные потоки

В стандартном виде программы терм-множества лингвистической переменной «регулярность аварий» записаны следующим образом:

а) очень редко (10-6..10-4 год-1);

б) редко (10-4..10-2 год-1);

в) часто (10-2..100 год-1);

г) очень часто (>100 год-1).

На рисунке 13 приведен блок визуализации программы. Данный блок предназначен для отображения терм-множеств. Основой для проведения операции нечеткого логического вывода является база правил, содержащая нечеткие высказывания в форме «Если-то» и функции принадлежности для соответствующих лингвистических термов. На рисунке 14 приведен модуль формирования базы правил.

Разработанный программный продукт является составной частью системы управления промышленной безопасностью на предприятиях трубопроводного транспорта. Работа программы проверена на достаточно большом наборе исходных данных, характерных для данной задачи. Степень полноты проверки можно оценить как достаточно высокую.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Для повышения достоверности «деревьев отказов» технологического оборудования предприятий трубопроводного транспорта разработана методика выбора информативных параметров и процедура сбора данных о безопасности технологического процесса.

2 Разработан метод диагностики нарушений технологических процессов на основе применения искусственной нейронной сети Хопфилда. Метод реализован на примере информационно-аналитического комплекса сбора данных о безопасности технологического процесса «хранение бензина в резервуаре».

Рисунок 13 – Блок визуализации

Рисунок 14 – Модуль формирования базы правил

3 Проведена формализация модели развития аварий на производствах трубопроводного транспорта на базе «деревьев событий».

4 Доказано, что уменьшение энтропии технической системы должно сопровождаться увеличением степени ее открытости. В противном случае система будет стремиться вернуться к своему равновесному уровню по показателю информационной энтропии и это может сопровождаться авариями и отказами оборудования. Уменьшение энтропии технической системы достигается уменьшением количества состояний, в которых она может находиться. Степень открытости представляет собой количество информации, которой система обменивается с окружающей средой. Информационная энтропия при этом рассматривается как энтропийная характеристика технической системы.

5 Показано, что уменьшение информационной энтропии технической системы «газоперекачивающий агрегат» на 0,004491 хартли сопровождается одновременным увеличением степени ее открытости на 0,017932 бит.

6 Предложена и реализована на ЭВМ модель выбора трассы магистрального нефтепровода на этапе проектирования по критерия ущерба от возможной аварии и стоимости строительства.

7 Предложена и реализована на ЭВМ модель выбора страхового тарифа при страховании гражданской ответственности эксплуатации магистрального трубопровода. Модель строится на основе экспертных оценок, обрабатываемых по алгоритму Мамдани.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: