Диссертация (Синтез систем противоаварийной защиты для процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин)

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗАИМЕНИ И.М. ГУБКИНАНа правах рукописиТелюк Антон СергеевичСИНТЕЗ СИСТЕМ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ПРОДУКЦИИ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИНСпециальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическимипроцессами и производствами» (промышленность) (технические науки)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор физико-математическихнаук, профессор Карманов А.В.Москва – 20142СодержаниеСодержание ....................................................................................................................................

2Введение..................................................................................................................................... 3Основные обозначения и определения ........................................................................................ 8Глава 1. Особенности функционирования систем противоаварийной защиты ....................101.1. ПАЗ как основной предотвращающий слой защиты в составе АСУТП .....................101.2.

Структура ПАЗ и процесс взаимодействия ПАЗ с ОПО ...............................................131.3. Задание процесса взаимодействия ПАЗ с ОПО .............................................................211.4. Процесс взаимодействия ПАЗ с ОПО с авариями .........................................................251.5. Показатели безопасности ПАЗ ........................................................................................27Глава 2. Синтез системы противоаварийной защиты ..............................................................302.1. Методы синтеза технических систем безопасности ......................................................302.2.

Задача синтеза ПАЗ .........................................................................................................352.3. Структура затрат и потерь в стоимостном функционале .............................................392.4. Задача синтеза ПАЗ с ограничениями ...........................................................................43Глава 3.

Моделирование системы противоаварийной защиты ...............................................453.1. Оценка стоимостного функционала ................................................................................453.2. Особенности процесса взаимодействия ПАЗ с ОПО ....................................................463.3. Алгоритм определения значения функционала по реализации процессавзаимодействия ПАЗ с ОПО ...................................................................................................553.4.

Алгоритм определения оценки стоимостного функционала ........................................62Глава 4. Алгоритм и программное обеспечение синтеза систем противоаварийнойзащиты ....................................................................................................................................654.1.

Исходные данные необходимые для синтеза ПАЗ ........................................................654.2. Алгоритм синтеза ПАЗ .....................................................................................................674.3. Программное обеспечение синтеза ПАЗ ........................................................................694.4.

Пример синтеза ПАЗ ........................................................................................................71Заключение...................................................................................................................................86Cписок литературы ......................................................................................................................87Приложение 1. Особенности отказов происходящих на ПАЗ ................................................98Приложение 2.

Синтез ПАЗ под требуемое значение коэффициента снижения риска .....102Приложение 3. Упрощенная технологическая схема процесса ............................................1113ВведениеАктуальность темы диссертации. В соответствии с Федеральнымзаконом №116-ФЗ «О промышленной безопасности …» практически всепроизводственные объекты нефтегазовой отрасли являются опаснымипроизводственными объектами (ОПО). Функционирующие ОПО обладаюттем свойством, что на этих объектах возникают аварии, которые могутпривестиксущественнымнегативнымпоследствиям:значительнымэкономическим потерям; нанесению вреда производственному персоналу,окружающей среде и населению.

Уровень безопасного функционирования навсем периоде эксплуатации ОПО поддерживается за счет различныхорганизационных мероприятий и технических систем безопасности. Вчастности,всостававтоматизированныхсистемуправлениятехнологическими процессами (АСУ ТП) в нефтегазовой отрасли входятсистемы противоаварийной защиты (ПАЗ), основной функцией которыхявляется предотвращение аварий, возникающих на ОПО.Статистическиеданныепоказывают,чтотолькопозарегистрированным авариям за последние 5 лет потери в нефтегазовойотрасли развитых стран мира составляют около 500 млн. $ в год.

При этомрезультаты анализа этих аварий указывают на то, что большинство из нихможно было избежать, если бы технические средства, обеспечивающиебезопасную эксплуатацию ОПО, обладали необходимыми защитнымисвойствами.Таким образом, актуальной проблемой является повышение уровнябезопасности функционирования ОПО. Одним из важных направленийрешения указанной проблемы является повышение качества проектированияПАЗ, в частности, за счет научно обоснованного синтеза ПАЗ, основанногона детальном учете взаимодействия ПАЗ и ОПО.Цельюдиссертационнойработыявляетсяповышениеуровнябезопасности функционирования ОПО за счет разработки метода и4программного обеспечения синтеза многоканальной ПАЗ на основеформализации принципа ALARP, рекомендованного к применению ГОСТ РМЭК 61508, 61511. При этом под синтезом ПАЗ понимается указаниетехнических средств и их конфигурации, на базе которых реализуется ПАЗ(т.е.

указание варианта исполнения ПАЗ), а принцип ALARP, применительно кразработкетехническихсистембезопасности,имеетследующуюформулировку: система безопасности должна обеспечивать снижение рисканастолько, насколько это «практически целесообразно».Длядостиженияуказаннойцелипоследовательнорешаютсяследующие задачи:Разработкаматематическоймоделипроцессавзаимодействиямногоканальной ПАЗ и ОПО.Формирование стоимостного функционала, отражающего затраты наобеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗ и потери от возникновенияаварий и иных внештатных ситуаций на ОПО.Формирование задачи синтеза ПАЗ на основе принципа ALARP.Разработкаалгоритмаипрограммногообеспечениядляавтоматизированного решения задачи синтеза ПАЗ.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:Предложенаматематическаямодельпроцессавзаимодействиямногоканальной ПАЗ с группой ОПО, которая представляет собойслучайный процесс с остановкой в момент времени возникновения аварии,учитывающий основные особенности функционирования ПАЗ.

При этомданный случайный процесс с авариями задается совокупностью исходныхданных, включающих в себя перечень технических средств, архитектурподсистем каждого канала и иных характеристик, необходимых для синтезаПАЗ, т.е. определяющих конкретный вариант исполнения ПАЗ.5Предложена структура стоимостного функционала на реализацияхслучайного процесса с авариями, которая отражает затраты на обеспечениебезопасности ОПО средствами конкретной ПАЗ и потери от возникновенияаварий и иных внештатных ситуаций на ОПО.Сформирована задача синтеза ПАЗ на основе принципа ALARP какзадача оптимального управления случайным процессом с авариями, вкоторой множество управлений представляет собой множество различныхвариантов исполнения ПАЗ.Предложен алгоритм решения задачи синтеза ПАЗ на основе методаМонте-Карло (статистического моделирования).Практическая значимость диссертационной работы заключается втом,чторазработанопрограммноеобеспечение,котороепозволяетинженерам-проектировщикам осуществить в автоматизированном режимесинтез ПАЗ в соответствии с принципом ALARP.

Это программноеобеспечениепереданокиспользованиюворганизациюООО«РусГазАвтоматика», занимающуюся проектированием ПАЗ в составе АСУтехнологических процессов подготовки продукции нефтегазовых скважин.Основные защищаемые положения:1. Математическая модель процесса взаимодействия многоканальнойПАЗсгруппойОПО,учитывающаяосновныеособенностифункционирования ПАЗ и представляющая собой случайный процесс,задаваемый вариантом исполнения ПАЗ.2.

Задача синтеза ПАЗ на основе принципа ALARP является задачейнахождения такого варианта исполнения ПАЗ из множества возможныхвариантов, который минимизирует значение предложенного стоимостногофункционала на случайном процессе. При этом стоимостной функционалвключает в себя затраты на обеспечение безопасности ОПО средствами ПАЗи потери от возникновения аварий и иных внештатных ситуаций на ОПО.63. АлгоритмрешениязадачисинтезаПАЗисоответствующеепрограммное обеспечение позволяют осуществить в автоматизированномрежиме синтез ПАЗ в соответствии с принципом ALARP.Апробацияработы.Основныеположенияирезультатыдиссертационной работы докладывались на следующих конференциях:Международная научная конференция "НЕФТЬ И ГАЗ-2011", Москва,2011;Девятая всероссийская конференция молодых ученых, специалистов истудентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть,энергетика), Москва, 2011;Международная научно-практическая конференция «Промышленнаябезопасностьиохранатруданапредприятияхтопливно-энергетического комплекса», Москва, 2011;IX Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальныепроблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2012;Семинар«Обеспечениебезопасностинапроизводстве»,НОУ«Корпоративный институт ОАО «Газпром», Московская область, 2012;X Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов истудентов "Новые технологии в газовой промышленности", Москва,2013;Всероссийская«Проблемынаучно-практическаяавтоматизацииинтернет-конференциятехнологическихпроцессовдобычи,транспорта и переработки нефти и газа», Уфа, 2013;X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальныепроблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2014.Публикации.Основныерезультаты(научныхисследований)диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, из которых11 работ - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 6 - в иных7научных сборниках; также получено свидетельство о государственнойрегистрации программы для ЭВМ.Структурадиссертации.Диссертационнаяработасостоитизвведения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений.Объем диссертации 111 страниц.

Список литературы содержит 111наименований.8Основные обозначения и определенияТП – технологический процесс в нефтегазовой отрасли, понимаемый вконтекстенастоящейработыкаксовокупностьпроизводственных(технологических) объектов, на которых реализуется рассматриваемыйпроцесс.ОПО – опасный производственный (технологический) объект в составе ТП,т.е. объект, обладающий такими физико-химическими свойствами, которые впроцессе его функционирования могут привести к опасным последствиям,наносящим вред обслуживающему персоналу, окружающей среде (экологии)и собственности.В соответствии с Федеральный закон №116-ФЗ "О промышленнойбезопасности опасных производственных объектов" (приложение 1, п.п.