ДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕРЕВО ОТКАЗОВ ДЛЯ АНАЛИЗА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ (TECHNICAL SCIENCES) УДК 004.056. 5:665.6

Днекешев А.А.

магистр технических наук, преподаватель «Высшей школы информационных технологий» Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана

ДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕРЕВО ОТКАЗОВ ДЛЯ АНАЛИЗА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Аннотация: в статье рассматривается метод идентификации аварийных ситуаций «динамическое дерево отказов», используемого при анализе безопасности функционирования нефтеперерабатывающих предприятий.

Ключевые слова: динамическое дерево отказов, нефтеперерабатывающее предприятие, авария.

Функционирование нефтеперерабатывающих предприятий

сопровождается сложным взаимодействием разнородных производственных процессов. Вследствие взаимодействия этих процессов возникают критические сочетания событий, приводящие к аварийным ситуациям. Для предотвращения таких аварийных ситуаций, в системах управления предполагается анализ этих процессов с различной реализацией причинно-следственных схем событий (деревья отказов - FTA), которые их характеризуют. В работах [1-3] были построены деревья отказов для нефтеперерабатывающих предприятий основным недостатком которых является их статическая модель. В построенных деревьях отказов не акцентированы возможности динамического моделирования причинно-следственных связей, которые возникают на коротких временных

интервалах в зависимости от функционирования нефтеперерабатывающего предприятия.

Для прогнозирования аварийных ситуаций предлагается использовать модифицированный метод FTA, главной особенностью которого является методика формирования и обновления динамических графов («котел», рис. 1), использование которой позволяет генерировать новые критические сочетания событий.

В ходе работы «котла» в определенный момент времени (такт) происходит синтез критических сочетаний событий (аварий) и определяются дополнительные события (рис. 2), которые присоединяются к ранее разработанным статическим деревьям отказов (рис. 3), образуя новые минимальные сечения на основе которых будут построены системы линейных дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, дающие возможность проанализировать вероятность наступления критических сочетаний событий сложных человеко-машинных систем [4-7].

В статье рассмотрен пример, иллюстрирующий работу «котла» в системах управления процессом обеспечения безопасности функционирования нефтеперерабатывающего предприятия.

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: Н1 - возгорание продукта; Н2 - выброс продукта, разгерметизация теплообменного оборудования; Н3 - источник воспламенения; Н4 -повышение давления в системе, поломка теплообменника; Н5 - пропуски во фланцевых соединениях в местах развальцовки труб в трубных решетках, в стенках труб, пропуск в плавающей головке; Н6 - дренирование нефтепродукта, заполнение работниками межтрубного и трубного пространства дизельным топливом, освобождение работниками межтрубного и трубного пространства от нефти на теплообменнике, нарушение порядка проведения операции по дренированию и заполнению аппаратов с открытыми воздушниками; Н7 - открытый воздушник теплообменника; Н8 - отсутствие оператора; Н9 - уменьшение толщины стенки

корпуса, днища, трубных решеток в результате коррозии, коррозионно-эрозионный износ трубок теплообменника; Н10 - образование трещин, свищей, прогары в корпусе, трубках и фланцах; Н11 - деформация трубок, заклинивание плавающих головок и повреждение их струбцин; Н12 - повреждение линзовых компенсаторов; Н13 - разрушение теплоизоляции; Н14 - образование газовых мешков; Н15 - идентификация коррозионных процессов, образование отложений на конденсаторе, загрязнение конденсаторов теплообменника; Н16 -загрязнение поверхности труб и внутренней поверхности корпуса маслом, отложениями солей и смол, окислителя, наличие в воде абразивных твердых взвесей; II - возгорание; 12 - возгорание нефтепродукта; взрыв газовоздушной смеси; 13 - выпуск продукта наружу, разгерметизация колонны; 14 - превышение нормы содержания пропана в смеси продукта; 15 - образование огненного шара; 16 - пожар пролива;

Рис.1. Причинно-следственные связи между отдельными событиями, существенно влияющими на безопасность функционирования нефтеперерабатывающего предприятия.

I7 - факельное горение; I8 - образование парогазовоздушного облака; I9 - взрыв газовоздушной смеси; I10 - давление в колонне держится на пределе разрешенного; I11 - подрыв предохранительного клапана, повышение давления в верхней части колонны; I12 - разгерметизация в зоне соединения штуцера находящегося в нижней части с теплообменником; I13, I15, I17- источники воспламенения; I14 - длительное истечение продукта; I16 - мгновенная разгерметизация; I18 - превышение температуры продуктовой смеси поступающей на колонну; I19 - воздействие коррозии; I20 - разрушение вакуумной колонны (ВК) с выбросом продукта; I21 - поломка холодильной

установки; 122 - высокая температура окружающего воздуха (жаркий день); 123

- взрыв внутри ВК; 124 - износ ВК; 125 - снизилась эффективность теплообмена; 126 - изменился состав сырья в сторону облегчения; 127 - завышена кратность орошения колонны; 128 - затруднено движение продукта снизу или сверху колонны; 129 - образование взрывоопасной паровоздушной смеси в ВК; 130 -источник воспламенения; 131- продукты коррозии увлекаются потом газов или жидкостей в контактирующие с ВК аппараты, возникновение и воздействие коррозии на ВК, воздействие соляная, сероводородной, нафтеновой кислот на ВК; 132 - возникновение и воздействие эрозии на участки ВК, воздействие на некоторые участки ВК струи жидкости и сильных потоков пара которые содержат абразивные включения; 133 - повышение внутреннего давления в ВК, плохо обводненная нефть поступила с ЭЛОУ; 134 - наличие паров продукта в вакуумной колонне; 135 - подсос воздуха в колонну, износ ВК; 136 - продукты коррозии увлекаются потом газов или жидкостей в контактирующие с ВК аппараты, возникновение и воздействие коррозии на ВК, воздействие соляной, сероводородной, нафтеновой кислот на ВК; 137 - возникновение и воздействие эрозии на участки ВК, воздействие на некоторые участки ВК струи жидкости и сильных потоков пара которые содержат абразивные включения; Л -возгорание; J4 - разгерметизация колонны; J5 - давление в колонне держится на пределе разрешенного; J6 - снизилась эффективность теплообмена; J7 -изменился состав сырья в сторону облегчения; J8 - завышена кратность орошения колонны; J9 - затруднено движение продукта снизу или сверху колонны; Л0 - подрыв предохранительного клапана; Л1 - разгерметизация в зоне соединения штуцера находящегося в нижней части с теплообменником; Л2

- повышение давления в верхней части колонны; Л3 - поломка холодильной установки; Л4 - высокая температура окружающего воздуха (жаркий день); Л5

- превышение температуры продуктовой смеси поступающей на колонну; Л6

- воздействие коррозии; Л7 - факельное горение; Л8 - источник воспламенения; Л9 - длительное истечение продукта; J20 - возгорание

нефтепродукта; J21 - взрыв газовоздушной смеси; J22 - образование парогазовоздушного облака; J23 - взрыв газовоздушной смеси; J24 -формирование огненного шара; J25 - пожар пролива; J26 - источник воспламенения; J27 - мгновенная разгерметизация; J28 - источник воспламенения; J29 - разрушение АК с выбросом продукта; J30 - взрыв внутри АК; J31 - износ АК; J32 - образование взрывоопасной паровоздушной смеси в АК; J33 - источник воспламенения; J34 - наличие паров продукта в атмосферной колонне (АК); J35 - подсос воздуха в колонну; J36 - износ АК; J37 - продукты коррозии увлекаются потом газов или жидкостей в контактирующие с АК аппараты; J38 - возникновение и воздействие эрозии на участки АК; J39 -возникновение и воздействие коррозии на АК; J40 - воздействие на некоторые участки АК струи жидкости и сильных потоков пара, которые содержат абразивные включения; J41 - воздействие соляной, сероводородной, нафтеновой кислот на АК; J42- продукты коррозии увлекаются потом газов или жидкостей в контактирующие с АК аппараты;; J43 - возникновение коррозии на АК; J44 -воздействие соляной, сероводородной, нафтеновой кислот на АК; К1 - вспышка газовоздушной смеси; К2 - загазованность территорий; К3 - источник воспламенения; К4 - разгерметизация трубопровода; К5 - выход нефти через поврежденное отверстие, повреждение ответления подземного нефтепровода, проведение земляных работ; К6 - разрыв трубопровода; К7 - прогар в трубопроводе, воспламенение продукта или отложений, увеличение толщины слоя отложений, ускорение процесса окисления; К8 - разгерметизация фланцевых соединений, сварных соединений, разъемов, крышек, люков, постепенное разрушение трубопровода; К9 - вода замерзла в трубопроводе; К10 - повышение температуры; К11 - наличие отложений на стенках трубопровода; Ю2 - повышение температуры отложений, огненный шар; К13 - недостаточная продувка; К14 - повышение внутреннего давления; замерзание жидкости в трубопроводе; К15 - усталостное разрушение металла в зоне сварного шва, длительная вибрация оборудования вследствие пульсации давления сжимаемого

воздуха; K16 - нарушение жесткости крепления трубопроводов к опорам, недостаточная жесткость фундамента; K17 - превышение допустимых нагрузок на трубопровод; K18 - вода после пропарки попала в трубопровод откачки мазута, пропарка колонны, пуск в эксплуатацию ЭЛОУ АВТ; K19 - отсутствие протока гудрона для прогрева трубопровода; K20 - трубопровод обладает иными характеристиками отличными от указанных в паспорте, недостаточная способность трубопровода к самокомпенсации температурных деформаций; K21 - ошибочная эксплуатация трубопровода в условиях противоречащих описаниям в паспорте, снижается точность показаний контрольно-измерительных приборов, длительная вибрация оборудования вследствие пульсации давления сжимаемого воздуха, а также поршней цилиндра; K22 - осознанная эксплуатация трубопровода в условиях противоречащих описаниям в паспорте; L1 - пожар, возгорание; L2 - пожар на трубопроводе, увеличение разгерметизации, огневое воздействие на крепежные шпильки, воспламенение нефтепродукта; L3 -воспламенение нефти; L4 - выпуск продукта наружу, разгерметизация колонны; L5 - источник воспламенения; L6 - выход нефтепродукта, фланцевое соединение крышки и корпуса задвижки трубопровода потеряло герметичность; L7 -источник воспламенения; L8 - выход наружу нефти, повреждение корпуса аппарата, повышение давления в связном аппарате, поломка электродегидратор; L9 - нефть нагрета выше температуры вспышки; L10 - давление в колонне держится на пределе разрешенного; L11 - подрыв предохранительного клапана, повышение давления в верхней части колонны; L12 - разгерметизация в зоне соединения штуцера находящегося в нижней части с теплообменником; L13 -рост давления в колонне и в технологическом трубопроводе трансферной линии подачи отбензиненной нефти в колонну, нефть с высоким содержанием воды поступила в колонну, в работу включено меньшее количество резервуаров-отстойников чем положено по тех. схеме; L14 - снизилась эффективность теплообмена; L15 - изменился состав сырья в сторону облегчения; L16 -завышена кратность орошения колонны; L17 - затруднено движение продукта

снизу или сверху колонны; L18 - поломка холодильной установки; L19 - высокая температура окружающего воздуха (жаркий день); L20 - превышение температуры продуктовой смеси поступающей на колонну; L21 - воздействие коррозии; L22 - прокладка по месту соединения крышки с корпусом трубопровода потеряла упругие свойства; L23 - задвижка сделана из прокладочного материала; M1 - воспламенение нефтепродукта; M2 -воспламенение нефтепродукта; M3 - распространение пожара по площади насосной; M4 - самовоспламенение нефтепродукта; M5 - нарушение герметичности насоса; M6 - выпуск продукта; M7 - усиленный нагрев насоса; M9 - выброс нефтепродукта; M10 - температура нефтепродукта выше температуры самовоспламенения; M11 - постепенное разрушение насоса; M12 -разрыв трубопровода; M13 - усиленная вибрация насоса; M14 - увеличение нагрева частей насоса; M15 - работа насоса с закрытой задвижкой на моторном трубопроводе; M16 - неисправность подшипников; M17 - сильный нагрев сальника насоса; M18 - недостаточная подача смазки подшипником; M22 -отсутствие или недостаточный расход охлаждающей жидкости; M23 - износ набивки сальника; M24 - чрезмерная затяжка сальникового уплотнения; M25 -возникновение биений при вращении вала; M26 - сильный стук в насосе; M27 -глухие удары в цилиндрах; M28 - недостаточное заполнение цилиндров перекачиваемой жидкостью; M30 - попадание в насос абразивных веществ; M31 - несоответствие плотности и вязкости перекачиваемой жидкости по паспортным данным; M32 - деформация вала насоса и вала ротора электродвигателя; M33 - неисправность узла разгрузки осевого усилия; M34 -нарушение центрирования оси вращения вала двигателя; M35- плохое состояние подшипников; M36 - поломка пружин клапанов; M37 - отсутствие воздуха в воздушных колпаках; M38 - ослабление крепления поршня на штоке если насоса поршневой.

Рис.2. Машинное формирование новых цепочек причинно-следственных связей

С содержимым «котла» приводились вычислительные эксперименты, в рамках которых вершины графов по парно сравнивались и при совпадении объединялись в более крупные структуры (рис.2). В результате были получены новые цепочки причинно-следственных связей, которые соединялись с исходным графом состояний, формируя причины новых аварийных ситуаций, не рассмотренные прежде.

В результате было построено машинным способом описание новой аварийной ситуации, связанной с возникновением пожара на нефтеперерабатывающей установке. Делалось допущение, что установка находится в нормальном технологическом режиме. В соответствии с распоряжением по заводу из блока теплообменников установки подлежит

выводу из эксплуатации теплообменник в целях подготовки его к чистке. На выведенном из эксплуатации теплообменнике последовательно проводились следующие технологические операции: освобождение межтрубного и трубного пространства от нефти (в дренажную ёмкость), заполнение дизельным топливом с последующим дренированием нефтепродукта (H6).

Во время дренирования межтрубного пространства и заполнение трубного пространства теплообменника нефтепродуктом проводится при открытом воздушнике теплообменника (H7), причём в отсутствие на рабочем месте оператора (H8), ответственного за операцию дренирования, что приводит к выбросу нефтепродукта (H2) с последующим его возгоранием (H1).

Длительный пожар на теплообменнике (P1) вызывает прогар и разрывом сварного шва (G9) на трубчатой печи с последующим взрывом.

Описание данной новой критической ситуации сформировано машинным способом и может быть использовано при построении дерева событий для системы безопасности функционирования нефтеперерабатывающего предприятия.

Предложенный подход к формированию динамического графа событий может быть использован при модернизации автоматизированной системы управления технологическими процессами нефтеперерабатывающих предприятий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Днекешев А.А., Кушников В.А. Системы автоматизации производственных процессов нефтеперерабатывающих предприятий Республики Казахстан// Естественные и технические науки. 2018. № 8 (122). С. 174-179. Днекешев А.А., Кушников В.А., Иващенко В.А., Филимонюк Л.Ю., Богомолов А.С. Модели и алгоритмы повышения безопасности функционирования нефтеперерабатывающих предприятий Республики Казахстан// Естественные и технические науки. 2019. №7 (133). С. 145-150.

28

Днекешев А.А., Кушников В.А. Разработка дерева событий для анализа безопасности функционирования производственных процессов нефтеперерабатывающего предприятия// Проблемы управления в социально-экономических и технических системах. 2019. С. 90-95.

Dnekeshev A.A., Kushnikov V.A., Rezchikov A.F., Ivashchenko V.A., Bogomolov A.S., Filimonyuk L.Y., Dolinina O.N. Models and algorithms for improving the safety of oil refineries of the Republic of Kazakhstan// Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. Т. 1226 AISC. С. 230-239.

Днекешев А.А., Кушников В.А. Подход к формированию динамического дерева событий для анализа безопасности функционирования

нефтеперерабатывающего предприятия// В сборнике: Проблемы управления в социально-экономических и технических системах. Сборник научных статей Материалы XVI Международной научно-практической конференции. 2020. С. 814.

Марков А.И., Днекешев А.А. Методика формирования пространства аварийных ситуаций нефтеперерабатывающего предприятия// В сборнике: Проблемы управления в социально-экономических и технических системах. Материалы XVII Международной научно-практической конференции. Саратов, 2021. С. 5357.

Марков А.И., Днекешев А.А. Алгоритмы идентификации аварийных ситуаций в распределенной базе данных нефтеперерабатывающих предприятий// В сборнике: Проблемы управления в социально-экономических и технических системах. Материалы XVII Международной научно-практической конференции. Саратов, 2021. С. 44-52.

Dnekeshev A.A.

Master of Technical Sciences, lecturer at the Higher School of Information Technologies West Kazakhstan Agrarian Technical University named after Zhangir Khan

DYNAMIC FAULT TREE FOR EMERGENCY ANALYSIS OF OIL REFINING ENTERPRISES

Abstract: the article considers a method for detecting emergency situations "dynamic fault tree ", used in the analysis of the safety of the functions of oil refineries.

Keywords: dynamic fault tree, oil refinery, accident.