ОРГАНИЗАЦИОННО-УПРАВЛЕНЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ Техническое обслуживание, ремонтные работы и инспектирование
Функционирование систем непосредственным образом зависит от технического обслуживания и ремонта этих систем. По этой причине очень важно разработать график технического обслуживания и контроля работы как технологических систем, так и систем безопасности, в который входит выполнение следующих задач:
а) проверка условий работы систем безопасности, как в испытательных помещениях, так и на рабочих местах;
б) проверка исправности оборудования в системах безопасности на рабочих местах, например, путем визуального осмотра или дистанционного контроля;
в) мониторинг питающих устройств в системах безопасности (при подаче электрического тока, пара, охладителя, сжатого воздуха и т.п.)
г) разработка графика технического обслуживания и соответствующей документации с указанием различных интервалов техобслуживания и типов производящихся работ.
Кроме того, в этих графиках могут указываться необходимые квалификации и уровень профессиональных навыков персонала для выполнения конкретного вида работ.
Ремонтные работы из-за их низкого качества могут быть одной из причин возникновения опасностей. Поэтому должны быть разработаны подробные инструкции по проведению ремонтов. В них должны входить квалификационные требования к обслуживающему персоналу, а также требования контроля этих работ. В связи с особой важностью этих требований администрация может разрабатывать собственные стандарты на ремонтные работы, иногда с более жесткими требованиями, чем в государственных стандартах.
Необходимо разработать план инспекций и испытаний промышленных систем, график проведения которых должен строго соблюдаться. Инспекторской проверке должен быть подвергнут инженерный и административный контроль за опасностями.
Инспекции и испытание следует выполнять применительно к следующему оборудованию процесса:
- сосудам высокого давления и резервуарам транспортировки (если это транспорт предприятия) и хранения;
- системам трубопроводов, включая компоненты трубопроводов, такие как запорная арматура, фланцы и пр.;
- системам и устройствам сброса давления и регулирования вентиляции;
- системам аварийного отключения;
- системам управления, включая устройства слежения, датчики, аварийную сигнализацию и устройства блокировки;
- насосам;
- компрессорам и воздухосборникам при них.
Инспекторской проверке должны быть подвергнуты протоколы (журналы), регистрирующие обучение и инструктаж персонала, эксплуатирующего оборудование, инструкции по технической эксплуатации и обслуживанию, ремонтным работам, действиям персонала в нештатных ситуациях на предмет выявления соответствия и полноты указанных мероприятий целям безопасности и требованиям стандартов по обеспечению целостности оборудования процесса.
Для подтверждения того, что оборудование установлено правильно и в соответствии со спецификациями проекта и инструкциями завода-изготовителя, что системы подходят для процесса, должны быть выполнены соответствующие проверки и инспекции. Это положение касается также установления пригодности материалов, используемых для технического обслуживания, запасных частей и приспособлений, применяемых при ремонтных работах.
Инструкции инспекций и испытаний должны следовать общепринятой инженерной практике и проводиться с периодичностью, рекомендованной изготовителем, а при необходимости (устанавливается по предшествующему опыту эксплуатации), и чаще.
Руководство предприятия должно документировать каждую инспекцию или испытание, которое было выполнено на оборудовании технологических процессов. Документация должна содержать дату инспекции или испытания, фамилию лица, которое провело инспекцию или испытание, серийный номер или другой идентификатор оборудования, на котором инструкция или испытание было проведено, описание выполненной инспекции или испытания, ее (его) результаты.
Технический персонал предприятия должен устранить неисправности или перед дальнейшим использованием системы, или по плану-графику, если немедленно были предприняты необходимые меры для обеспечения безопасности эксплуатации.
Управление изменениями в технологическом процессе
Перед тем как вносить какие-либо изменения в технологию процесса, в используемые системы, в другие объекты, которые влияют на технологический процесс, необходимо рассмотреть и оценить:
- техническую базу для предлагаемого изменения;
- влияние изменения на безопасность и здоровье работников предприятия, населения;
- экологическую безопасность;
- изменение эксплуатационных процедур;
- срок, необходимый для реализации изменений;
- требования, для предлагаемого изменения.
Персонал, вовлеченный в эксплуатацию систем и техническое обслуживание, должен до внесения изменений и пуска технологического процесса быть проинформирован об изменениях, и пройти соответствующее обучение.
Если изменение затрагивает информацию и инструкции по безопасности процесса и эксплуатации систем, то они должны быть соответствующим образом откорректированы.
Обучение
Несмотря на то, что в обеспечении безопасности важное место занимает технические средства, без участия человека никакое производство вообще работать не будет. Поскольку на уровень безопасности люди могут оказывать как позитивное, так и негативное влияние, крайне необходимо снизить последнее и всячески поддержать первое. Обе цели могут быть достигнуты путем правильного подбора и первичного обучения персонала, в которое должна быть включена информация:
- об опасностях, связанных с производственными процессами и используемыми веществами, и уровнях риска;
- инструкциях, необходимых при работе;
- о возможных условиях работы, включая процедуры включения и выключения промышленной установки;
- о рекомендуемом поведении людей при нарушении режимов работы системы, аварии или несчастных случаях;
- о несчастных случаях и ситуациях, близких к аварийным, на других аналогичных производствах.
Повторное обучение должно проводиться, по крайней мере, каждые три года (или чаще, по мере необходимости) для каждого работника, включенного в эксплуатацию технических систем, для подтверждения того, что работник понимает и твердо придерживается действующих эксплуатационных инструкций. Руководитель должен определить во время консультаций с работниками, вовлеченными в эксплуатацию процесса, периодичность повторного обучения.
Руководителю необходимо удостовериться, что каждый работник, вовлеченный в процесс, получил и усвоил требуемое обучение. Результаты обучения и аттестации персонала должны быть оформлены соответствующим образом.
ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ И АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Определение технического состояния системы в ходе эксплуатации или после ремонта называют техническим диагностированием. С помощью технической диагностики предсказывают возможные отклонения в режимах работы и состояниях машин, аппаратов и устройств, а также разрабатывают методы и средства обнаружения и локализации неисправностей в системах. Различным нарушениям системы соответствуют определенные технические состояния. Техническим состоянием называют совокупность свойств системы, подверженных изменениям в процессе ее производства или эксплуатации. Эти свойства характеризуются признаками (требованиями, параметрами), устанавливаемыми нормативно-технической документацией на систему. Введение переменной состояния функционирования h позволяет каждому значению h ставить в соответствие определенное техническое состояние.
Совокупность средств, правил и алгоритмов диагностирования образует систему технического диагностирования (СТД).
Основные задачи диагностирования при проектировании - проверка соответствия разработанной системы исходному заданию на проектирование и обеспечение наилучшего режима и высокого качества диагностики системы на последующих этапах на предмет установления возможных отказов. Одновременно с проектированием системы создают СТД. Так как значительная доля аварий связана с ошибками при проектировании, а стоимость каждой пропущенной ошибки исключительно велика, то диагностированию необходимо уделять большое внимание.
При изготовлении, монтаже и пуске систем техническое диагностирование - неотъемлемая часть выполняемых работ. Основная цель диагностирования на этих этапах - проверка работоспособности; возможны два технических состояния системы: работоспособное (hо) и неработоспособное. При ремонте с помощью диагностики можно выявить, содержит ли система дефектные элементы, действительно ли устранены все неисправности. Алгоритмы технического диагностирования должны обеспечивать требуемую достоверность результатов определения состояния системы.
При эксплуатации системы с помощью технического диагностирования определяют состояние функционирования (допустимое, предаварийное, аварийное), осуществляют поиск неисправности. Число состояний, различаемых в результате поиска неисправности, определяется глубиной поиска дефекта и требуемой достоверностью результатов диагностирования. Глубина поиска задается указанием элементов системы, с точностью, до которых определяют место неисправности. Достоверность результатов диагностирования - степень соответствия состояния, оцененного по этим результатам, истинному состоянию системы. Количественно достоверность характеризуется вероятностью совпадения оцененного и истинного состояний.
Результаты диагноза используют при прогнозе развития событий и поиске причин отказов, аварий и т.п. В первом случае предсказывают (прогнозируют) состояние системы, в котором она может оказаться в некоторый будущий момент времени. Например, реактор в настоящий момент находится в предаварийном состоянии; определяются его возможные переходы в другие состояния, и в первую очередь в аварийные. Во втором случае восстанавливают состояние, в котором система находилась в некоторый предшествующий момент времени. Это особенно важно при расследовании аварий, выявлении причин их возникновения. Определение состояний, предшествующих аварии, а следовательно, и первопричины ее возникновения, исключительно важно для недопущения подобных аварий в будущем и на аналогичных системах.
Классификация методов технического диагностирования при эксплуатации системы и в нерабочем состоянии показана на рис. 9.7.1.
Рис. 9.7.1. Методы, технического диагнoстирования
При эксплуатации технических систем наиболее распространено функциональное и тестовое диагностирование (рис. 9.7.1).
В первом случае состояние системы определяют по результатам текущего контроля за входными х и выходными у переменными. Во втором случае на систему подают специальные тестовые воздействия хт.
Рис. 9.7.1. Структурные схемы диагностирования:а - функционального; б - тестового
Для технологического оборудования производств используют в основном функциональное диагностирование, для автоматических устройств контроля, управления и защиты применяют оба вида диагностирования, вычислительные средства, программное обеспечение проверяют с помощью тестов. При тестовом контроле на вход проверяемого устройства подаются специально подобранные совокупности входных воздействий (проверяющие тесты). Полученную на выходе реакцию сравнивают с эталонной. Если они совпадают, то устройство на момент контроля находится в работоспособном состоянии. В противном случае устройство неисправно, и подаются диагностические тесты для установления места, причины и вида неисправности. Разработаны специальные методы построения оптимальных тестов, позволяющих за минимальное время проверять работоспособность устройства в целом, а также алгоритмы автоматического решения задач синтеза проверяющих и диагностических тестов. Тесты разрабатывают одновременно с проектированием объекта.
Роль технической диагностики возрастает с увеличением мощности и сложности систем, для которых интуитивные методы и ручные способы определения состояний непригодны. Задачи диагностики сложных систем решают с использованием ЭВМ в рамках АСУТП или автоматизированных систем диагностики (АСД).
Например, применительно к химико-технологическому комплексу АСД выполняет следующие функции:
- определение текущего состояния работоспособности, обнаружение предаварийных и аварийных состояний;
- локализация неисправностей до уровня отдельных аппаратов, элементов систем контроля, управления и защиты;
- регистрация моментов обнаружения неисправностей и их устранения;
- прогнозирование значений переменных химико-технологических процессов в различных состояниях работоспособности;
- прогнозирование предельного значения времени восстановления работоспособности системы;
- регистрация фактического времени восстановления работоспособного состояния;
- отображение оперативной информации о неисправностях на экране дисплея оператора;
- запись, накопление и хранение на магнитных дисках информации о неисправностях;
- выдача накопленной информации о неисправностях системы.
АСД, с помощью которой решают данные задачи, может быть реализована, например, на ЭВМ. На основе АСД строится автоматизированная система обеспечения безаварийности. Схема АСД приведена на рис. 9.3. Данная система осуществляет текущий контроль входных х, выходных у, переменных и параметров А объекта химической технологии.
После преобразования сигналов от датчиков в унифицированную форму (блок 2) значения x(t), y(t),A(t) сопоставляют с допустимыми для нормальной работы (блок 4), т.е. проверяют выполнение условий x(t) Хдоп, y(t) Yдоп, A(t) Адоп, где Хдоп, Yдоп, Адоп - области допустимых значений соответственно х, y, А. Если какое-либо условие не выполняется, то в блоке 5 принимается решение о выдаче сигнала тревоги S(х, у, А), а также выработке корректирующих воздействий управляющими устройствами (блок 11). В блоке 10 по данным о x(t), y(t), а иногда и отдельных значений h(t), оценивают вектор фазовых координат z(t) и переменную состояния функционирования h(t). Значения z(t) и h(t) сопоставляют с допустимыми (блок 9), т.е. проверяют условия z(t) Zдоп, h(t) Нд. В блоке 5 анализируется текущее состояние системы в случае опасности и выдается сигнал предупреждения Sп(z, h) или тревоги, S(z, h) блоком 3. Блоком 7 производится диагностика имеющихся нарушений, а блоком 6 - проверка работоспособности системы обеспечения безаварийности с помощью специальных тестов.
Важное место в автоматизированных системах диагностики (АСД) занимают приборы для контроля физико-химических параметров веществ, прежде всего газоанализаторы, анализаторы жидкостей и создаваемые на их основе сигнализаторы.
Рис. 9.7.2. Схема автоматизированной системы диагностики:1 - объект; 2 - первичные преобразующие и обрабатывающие устройства; 3 - сигнал тревоги; 4 - сопоставление с интервалами, допустимыми для нормальной работы; 5 - анализ и принятие решения; 6 - проверка работоспособности системы; 7 - диагностика нарушения; 8 - сигнал о нарушении; 9 - сопоставление с интервалом Zдоп и подмножествами состояний Нд, Hпа, Ha; 10 - оценка переменных состояния z, h; 11 - коррекция управляющих воздействий
Например, сигнализатор наличия горючих газов в воздухе калибруют на один из газов (метан, циклогексан, пропан, этиловый спирт, дивинил, метиловый спирт, бензол, этилацетат, пропилен, стирол и др.). Он автоматически включается при наличии в воздухе 20% газов от нижнего предела взрывоопасной концентрации. В газоанализаторе - сигнализаторе взрывоопасных концентраций типа СВК сигнализация включается при наличии в воздухе 10, 20, 40 и 60% газов от нижнего предела взрываемости.
Широко применяют на химических предприятиях физические методы неразрушающего контроля технического состояния различных машин и аппаратов: контроль вибраций и акустического шума, тепловой, оптический, радиационный, ультразвуковой, магнитографический, рентгенографический и другие методы.
Анализ вибрации машин и аппаратов позволяет получить важную информацию о процессах в различных механических устройствах, связанных с вращением, качением, скольжением, движением жидкостей, газов, сыпучих материалов и т.д. В настоящее время разработаны датчики вибраций, методы и устройства получения частотного спектра - виброграмм. Схема системы контроля вибраций приведена на рис. 9.7.3,а. Расположение дискретных частот виброграммы и их амплитуды позволяют определять состояние работоспособности системы, обнаруживать зарождающиеся отказы, связанные, например, с износом. Характерный вид виброграмм для различных состояний функционирования показан на рис. 9.7.3,б.
Рис. 9.7.3. Система контроля вибраций машин и аппаратов:а - схема; б - виброграммы при различных состояниях работоспособности
Нарушения нормального функционирования, как правило, увеличивают вибрацию (см. пунктирную линию на рис. 9.7.3,б для состояния h1).
Многим механическим узлам и устройствам систем химической технологии на виброграмме соответствуют определенные дискретные частоты. Для вращательного механизма, например двигателя, компрессора, насоса, вентилятора, турбины, имеется серия дискретных частот, кратных частоте вращения ротора. Разработан ряд критериев, позволяющих устанавливать допустимые уровни вибрации машин с механизмами вращения, в качестве параметров в критериях используются пики величины вибраций и смещения пиков. Основные источники вибрации в данном случае деформация или повреждение частей ротора, деформация корпуса и основания, эксцентриситет в подшипниках, повреждение подшипников и др. В меньшей степени исследованы виброграммы механизмов с возвратно-поступательным движением и коробок зубчатых передач.
Известны случаи проведения анализа вибраций стационарных аппаратов-теплообменников, дистилляционных и экстракционных колонн, абсорберов и др. Для оперативного диагностирования нарушений в системе изображение виброграммы выносится на экран дисплея системы контроля вибраций (см. рис. 9.7.3,а). Одновременно информационные параметры сопоставляют с допустимыми пределами; в угрожающих случаях подается сигнал тревоги.
Для диагностики и предотвращения нарушений в машинах и аппаратах широко используют измерение и анализ характеристик шумов, исходящих от движущихся механизмов, потоков - трубопроводов и теплообменников. С помощью акустических методов выявляют следующие повреждения: трещины в металлических корпусах аппаратов, стенках труб и соединениях, ослабление крепления, отложения на стенках и коррозию, течь в уплотнениях, пропуск газов и др.
Шумы аппаратов и машин характеризуют как общие свойства систем, так и свойства их частей. Производственный шум имеет широкий спектр сигнала, параметры его можно рассматривать как многомерный вектор. Опыт применения акустических методов показывает, что в состоянии нормального функционирования энергия шума в основном концентрируется в области низких частот, а энергия, соответствующая дефектам, располагается на более высоких частотах. Это обстоятельство используют для своевременного обнаружения зарождающихся нарушений.
Каждому состоянию работоспособности системы соответствует свой характерный спектр шума. Задача акустического диагностирования заключается в том, чтобы по зарегистрированному сигналу шума определить техническое состояние контролируемого объекта. Наиболее распространены два способа для решения этой задачи. Первый способ основан на применении взаимных корреляционных функций, он предполагает предварительную запись в память диагностического устройства временных реализаций сигналов, соответствующих различным состояниям работоспособности. В момент контроля записывается реализация шумового сигнала, излучаемого системой. Данную реализацию используют для расчета взаимных корреляционных функций с сигналами, хранящимися в памяти системы контроля. Считается, что система находится в состоянии, которому соответствует максимальная взаимная корреляция.
Второй способ основан на сравнении статистических характеристик реализаций сигналов, например плотностей распределений, автокорреляционных функций, энергетических спектров. В памяти хранятся статистические характеристики, типовые для возможных состояний функционирования. По реализации сигнала в момент контроля системы вычисляют текущую характеристику, которую сравнивают с типовыми. Рассчитываемые критерии близости (максимальное отклонение, среднее квадратическое отклонение и т.п.) используют для характеристики технического состояния системы.
Хорошие результаты получают с помощью метода акустической эмиссии. На поверхности системы устанавливают комплект датчиков, которые регистрируют упругие колебания акустического диапазона, источниками колебаний являются развивающиеся макро- и микродефекты материала-конструкции, а также движение дислокаций. По разности времени прихода импульсов акустической эмиссии к различным датчикам, суммарного числа импульсов, их интенсивности, характера амплитудного распределения сигналов определяют координаты расположения и степень опасности нарушения - источника акустической эмиссии. Спектральный анализ импульсов, корреляционные зависимости между сигналами от датчиков и размерами, конфигурацией и стадией развития макро- и микродефектов для конкретных марок стали позволяют оценить техническое состояние конструкции системы, ее остаточный ресурс.
Недостаток большинства акустических методов - необходимость иметь в памяти системы контроля реализации сигналов или статистические характеристики сигналов всех состояний функционирования. При этом они должны быть получены на контролируемой системе, чтобы учесть его индивидуальные особенности.
АЛГОРИТМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В процессе обработки информации по анализу последствий принимают решение либо о немедленном устранении конструктивных недостатков, изменении практики эксплуатации или технического обслуживания систем (если причина отказа очевидна), либо о проведении необходимых исследований для устранения причины отказа и последующего устранения слабого звена. Окончательные изменения в технологическую документацию вносят только после проверки принятых решений. Процесс этот носит непрерывный характер, что позволяет постоянно поддерживать и даже повышать необходимый уровень эксплуатационной надежности и безопасности оборудования. Таким образом, обеспечение эксплуатационной надежности и безопасности представляет собой замкнутый цикл последовательных операций, один из возможных вариантов которого [10] изображен на рис. 9.8.1.
Рис. 9.8.1. Алгоритм обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности системы:1 - конструкция оборудования; 2 - существующая практика эксплуатации; 3 - информация; 4 - средства получения информации; 5 - причины отказов; 6, 7 - сведения соответственно о расходе запасных частей и частоте их замены и о потерях производства, вызванных простоями; 8 - данные результатов инспекций оборудования; 9 - сведения об изменениях размеров, структуры и свойств материала деталей в процессе эксплуатации; 10 - другие сведения; 11 - обработка информации; 12 - анализ причин отказов и выявление слабых мест; 13 - принятие решения; 14 - решение о немедленном изменении конструкции, практики эксплуатации или технического обслуживания и ремонта оборудования; 15, 16, 17, 18 - изменение соответственно конструкции, материала детали или способа ее упрочнения, практики эксплуатации, практики технического обслуживания и ремонта; 19 - проверка предложений в промышленной эксплуатации; 20 - данные промышленной эксплуатации после внесенных изменений; 21 - решение о проведении исследований; 22 - разработка методики исследований; 23 - результаты исследований; 24 - усовершенствование конструкции или практики эксплуатации оборудования на основании исследований; 25 - обратная связь
ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ
Учитывая мощности современных технических систем, технологических линий или отдельных агрегатов, сложность алгоритмов управления ими, трудно ожидать от обслуживающего персонала безошибочной ориентации в каждой возможной аварийной ситуации и правильных оперативных действий, направленных на ликвидацию нарушений хода технологического процесса и предупреждение появляющихся опасностей. В связи с этим в состав сложной и потенциально опасной технической системы, помимо подсистемы автоматического регулирования, обеспечивающей при нормальном режиме работы поддержание параметров в заданных пределах, обязательно входит система защиты и блокировки, призванная путем автоматического переключения и введения резервного оборудования, снижения мощности или останова агрегата предотвратить развитие аварии. Таким образом, защита применяется для предотвращения повреждения и выхода из строя системы при возникновении аварийных режимов ее работы путем автоматического отключения (защита на отключение) или подачи сигналов (защита на сигнал). Различают защиту, основанную на непосредственном контроле за режимами работы систем или их элементов, и защиту при косвенном контроле за режимом работы оборудования, например: по параметрам привода, в частности электродвигателей; по характеристикам вибрации системы и др. Защита тесно связана с контролем и сигнализацией, например при изменении контролируемого параметра сначала может быть сформирован предупреждающий сигнал, а затем срабатывает защита.
Если промышленная система спроектирована так, что она может выдерживать все нагрузки, возникающие в процессе обычных или предполагаемых экстремальных условий работы, то задачей системы контроля производственных процессов должно быть обеспечение безопасной работы установки в заданных пределах. Для этого можно использовать такие системы, как ручное управление, автоматический контроль, системы автоматического выключения, предохранительные устройства, системы аварийной сигнализации.
Основная идея безопасности производственного процесса заключается в том, чтобы надежно обеспечивать безопасные условия его работы. На рис. 10.1.1 показано, как при помощи системы контроля переменные характеристики производственного процесса в случае нарушения нормального режима удерживаются в безопасных пределах.
Рис. 10.1.1. Схема работы защитных устройств в системе тройного контроля: A - переменные характеристики процесса; t - время
Переменными в контролируемом процессе могут быть температура, давление, скорость потока, соотношение некоторых компонентов смеси, скорость повышения температуры, понижения или повышения давления. Системы тройного контроля или защиты действуют следующим образом.
Первая система. Как только переменные системы достигнут значения, превышающего установленный предел (C1), это регистрируется специальным сигналом на устройстве управления, после чего производится коррекция (чаще всего оператором вручную). Если этого действия не производится, и процесс при этом все же не создает опасных условий, включение следующей системы не происходит.
Вторая система. Когда переменная величина показателя процесса превышает предельное значение (C2), автоматически включается система контроля, возвращающая эту переменную величину в диапазон её нормальных значений. Если этого сделать не удается, переменная величина показателя процесса может достичь таких значений, которые могут вызвать аварийную ситуацию.
В этом случае появляется необходимость применения других предохранительных устройств, например разрывных мембран или предохранительных клапанов, действующих по принципу сброса давления, сливных емкостей и охлаждающих устройств.
Третья система. При отсутствии предохранительных устройств с упомянутыми характеристиками в случае, когда переменная величина показателя процесса достигает значений, при которых повышается вероятность крупной аварии, становится необходимым установка независимой защитной системы, автоматически включающейся при нарушениях процесса, чреватых аварией.
Примером такой системы является терморегуляционное устройство, регистрирующее превышение оптимальной температуры в процессе химических реакций. Как только достигается критическая температура, система включает дополнительное охлаждение процесса и добавляет в химическую смесь вещество, останавливающее реакцию.
Чтобы такая система работала надежно, следует постоянно следить за работой всех активных составных частей оборудования, т.е. насосов, компрессоров, вентиляторов, которые в нужный момент должны срабатывать так, чтобы можно было избежать аварии.
Для того чтобы работающий персонал мог полагаться не только на автоматические системы защиты, последние должны использоваться в сочетании с акустическими или световыми сигнальными устройствами. Более того, персонал должен быть хорошо обучен самостоятельно распознавать различные режимы работы оборудования, а также отдавать себе отчет в важности систем контроля.
Необходимо помнить о том, что любая система контроля может не всегда правильно срабатывать в фазах включения и выключения производственного процесса. Поэтому этим фазам следует уделять особое внимание.
ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ
Представляется целесообразным рассмотреть типовые структуры автоматической системы защиты (АСЗ) на примере использования ее в химическом производстве. Выбор примера химической технологии не случаен - именно для них АСЗ достаточно детально разработаны.
В нормальном режиме функционирования систем технологическим процессом управляет автоматическая система регулирования (АСР). Для управления в предаварийном режиме используется автоматическая система защиты. АСЗ является составной частью системы управления (СУ) процессом и может использоваться в двух режимах:
- АСЗ непрерывно контролирует ход технологического процесса, но реагирует только на аварийные отключения регулируемого параметра;
- АСЗ подключается к процессу только в момент возникновения аварийной ситуации как резерв АСР.
Для АСЗ объектов химической технологии характерно то, что подавляющее большинство мер защиты сводится к разовым, но экстремальным по величине показателям воздействия на защищаемый объект (или процесс). При этом исходная информация о процессе чаще всего носит ярко выраженный позиционный характер.
Структурные схемы АСЗ могут быть трех видов в зависимости от алгоритма защиты, определяемого сложностью процесса и многообразием аварийных ситуаций, эффективностью, экономичностью, надежностью и т. д.:
- простейшие АСЗ;
- АСЗ с развитой логической частью;
- адаптивные АСЗ.
В простейшем случае АСЗ строится так, что повышение (или снижение) параметра, по которому ведется защита, до предельного значения вызывает управляющее исполнительное воздействие. Одноканальная АСЗ, настроенная, например, на повышение допустимого значения контролируемого параметра, реализует простой алгоритм защиты. Структурная схема простейшей АСЗ представлена на рис. 10.2.1.
Рис. 10.2.1. Структурная схема простейшей АСЗ
Сигналы от измерительных преобразователей (ИП) поступают на анализаторы параметров процесса, представляющие собой устройства сравнения (УС). Одновременно с этим на анализаторы поступают допустимые значения параметров процесса от задающего устройства (ЗУ). Если какой-нибудь параметр оказался больше (или меньше) своего допустимого значения, то с соответствующего анализатора поступает сигнал в узел управляющих воздействий (УУВ), где происходит выбор управляющих (защитных) воздействий (УВ); сигналы с УУВ поступают к объекту управления через исполнительный механизм (ИМ). Исполнительных механизмов может быть несколько.
Таким образом, в анализаторах происходит сравнение текущих значений параметров с допускаемыми. Различные параметры могут вызывать одинаковые и разные управляющие воздействия. Узел управляющих воздействий в основном реализует логическую функцию "ИЛИ", например, при синтезе диметилдиоксана из изобутилена и формальдегида падение давления промышленной воды ниже определенного уровня вызывает нарушение температурного режима ректификационных колонн, дефлегматоры которых охлаждаются промышленной водой. Поэтому система защиты, изображенная на рис 10.2.1, после сравнения текущего значения давления воды с заданным в аварийном случае выдает сигнал на УУВ. В результате срабатывают три исполнительных устройства: прекращается подача изобутилена; прекращается подача формальдегида и отсекается подача пара на кипятильники колонн. Следовательно, АСЗ с простым алгоритмом защиты реализует задачу - остановить процесс при возникновении предаварийной ситуации.
Структурная схема АСЗ второго типа, реализующая сложный алгоритм, представлена на рис. 10.2.2.
Рис. 10.2.2. Структурная схема АСЗ, реализующей сложный алгоритм защиты
Структурная схема адаптивной АСЗ включает информационное устройство, состоящее из измерительных преобразователей (ИП) и усилительно-преобразующих устройств (УПУ), управляющее логическое устройство УЛУ и блок исполнительных механизмов (ИМ). Объем блока ИМ зависит от числа параметров, воздействующих на процесс при наличии аварийной ситуации. В функции УЛУ входят обработка информации от ИЛ по определенному алгоритму, результатом чего является оценка степени развития аварийной ситуации, выбор вида защитного воздействия, соответствующего данной степени развития аварийной ситуации и обеспечивающего безаварийность процесса, и выдача управляющего защитного воздействия на блок ИМ. УЛУ наряду с развитой логической частью включает в себя вычислительное устройство, в функции которого входит подготовка данных для определения необходимости ввода защитного воздействия с учетом экстраполяции изменения параметров защиты, характеризующих развитие аварийной ситуации, и последствий ввода защитных воздействий.
В развитие вышесказанного формируется общая задача оптимизации структуры АСЗ. В самом общем виде задачу выбора структуры и параметров АСЗ потенциально опасных процессов можно описать в виде подлежащего минимизации функционала:
min S = min{S( 
)+M[ 
]},
где m - вектор параметров технических устройств АСЗ (например, точность и надежность входящих в АСЗ измерительных преобразователей, надежность и быстродействие логических устройств и исполнительных механизмов и т.п.);
S( ) - приведенные к общим единицам измерения затраты на построение системы и ее эксплуатацию как функция от векторов параметров;
- усредненная по множеству М функция от несовершенства параметров технических устройств АСЗ, обозначаемых вектором ;
М - область допустимых решений вектора .
Для случая построения АСЗ для потенциально опасных процессов ограничение области допустимых решений необходимо сформулировать прежде всего как обеспечение требуемой безаварийности:
Ô( )=ñ,
где Ф( ) - функция критерия безаварийности от параметров технических устройств АСЗ;
с - требуемое значение критерия безаварийности.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ИНТЕЛЛЕКТУЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТА И УПРАВЛЕНИЯ УРОВНЕМ БЕЗОПАСНОСТИ
В качестве системы защиты объекта и управления уровнем безопасности производства (объекта) может быть использована автоматическая интеллектуализированная система. Интеллектуализированная техника содержит в своем составе процессоры с соответствующим программным обеспечением. Эти средства и системы построены по многоуровневому функциональному принципу и увязаны в единый иерархический обоснованный комплекс управления безопасностью объекта (например, химического производства).
Задачи, которые возлагаются на интеллектуализированные системы, следующие: Первая задача связана с обеспечением нормального функционирования. Режим нормального функционирования процесса характеризуется соответствием (в допустимых пределах) режимных параметров заданным значениям, которые определяются обычно условиями оптимального ведения процесса.
Вторая задача обусловлена необходимостью локализации аварийных ситуаций связанных с нарушением технологического процесса. Третья задача - локализация аварийной загазованности помещений по параметрам пожаровзрыво- или токсобезопасности за счет интенсификации вентиляции или прекращения поступления вредных (горючих) веществ в виде газов (паров) в окружающую атмосферу.
Очевидно, что за каждой из поставленных задач закрепляется и некоторое системное обеспечение. Первую задачу решает система управления, вторую - система противоаварийной автоматической защиты и третью - система газового анализа. Каждая из систем должна иметь свое программно-методическое обеспечение, алгоритмы контроля и управления самым принципиальным вопросом является степень агрегатирования технических средств. Здесь можно сформулировать две крайние концепции: максимальная централизация (синтез) или полная дезагрегатизация (декомпозиция). Максимальная централизация предусматривает единый процессор для решения всех поставленных задач и максимальное совмещение средств контроля и управления. Это означает, что информация, поступающая с преобразователей, размещенных на объекте контроля, обрабатывается в центральном процессоре по единому алгоритму, имеющему блок аварийной остановки, который и выполняет функции системы противоаварийной защиты. Информация с канала контроля загазованности также обрабатывается в центральном процессоре, который запускает по сформулированным принципам блок аварийной остановки вентиляции. Структура интелектуализированной системы, построенная по описанному принципу, приведена на рис. 10.3.1. Достоинством такой организации является высокий коэффициент использования процессора, который централизованно решает практически все интеллектуальные задачи, возникающие в процессе управлением производством. Вместе с тем, централизованная схема имеет принципиальный недостаток: канал противоаварийной защиты оказывается практически равнонадежным со системой управления. На практике это означает, что системой противоаварийной защиты будут "пропускаться" 50 аварийных ситуаций из 100. Значительно уменьшить количество "пропусков" можно только в том случае, если поднять надежность системы противоаварийной защиты (ПАЗ) на порядок по отношению к системе управления (СУ).
Рис. 10.3.1 Централизованная организация технического интеллекта химического производства
Исходя из этих соображений, предпочтительней может оказаться структура, представленная на рис. 10.3.2. Система построена в соответствии с "деревом задач" и практически полностью независима, т.к. имеет собственные, не связанные с СУ, каналы информации состояния объекта, полную функциональную независимость, вплоть до автономного питания. Очевидно, что любой потенциально опасный процесс имеет один или совокупность нескольких признаков, появление которых является предвестником возможных аварий. Эти признаки и являются информационными входами в системы ПАЗ. Для повышения надежности системы ПАЗ желательно, чтобы одна и та же информация об аварийных признаках поступала в систему по нескольким информационным каналам.
Рис. 10.3.2. Вариант децентрализованной организации системы обеспечения химического производства
Надежность системы ПАЗ увеличивает также и то, что она контролирует состояние небольшого количества параметров по независимым от системы управления каналам и обрабатывает информацию по более простому алгоритму. При появлении информации, которая специальным логическим устройством расшифровывается как предварительная, система вырабатывает управляющее воздействие; оно должно вывести процесс из предварительного состояния и по определенной программе произвести аварийный останов. Система ПАЗ управляет при этом штатными ИМ или специальной быстродействующей аварийной ИМ. Бесконфликтность с СУ обеспечивается блокировкой ее со стороны выхода системы ПАЗ на период проведения операции, остановка которых может привести к взрывам. По окончании такой операции блокировка снимается.
ТИПОВЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СРЕДСТВА БЕЗОПАСНОСТИ
Отказ любой промышленной установки, входящей в систему, может привести к отказу всей системы и к аварии. Ниже кратко описываются варианты типовых локальных систем и средств безопасности для отдельных узлов, агрегатов, установок и т.п. и их назначение.
Системы предотвращения отклонений от допустимых рабочих режимов
Системы сброса давления. Разрывные мембраны и клапаны безопасности обеспечивают аварийный выпуск вещества из реакционного сосуда в атмосферу. Если выброшенное вещество образует взрывоопасную смесь с воздухом, необходимо не допустить его контакта с возможными источниками огня до того, как будет достигнут нижний концентрационный предел взрывоопасности. Если произошел выброс токсичного вещества, оно должно быть отведено во вспомогательную систему, например в нагнетательные адсорберы, скрубберы или установки каталитического дожигания.
Датчики температуры и давления потока предназначены для автоматического аварийного включения систем аварийного охлаждения, остановки реакции или перепускной системы.
Системы, препятствующие переполнению. Устройства контроля уровня веществ предотвращают переполнение сосудов; они автоматически прекращают подачу потока вещества и обеспечивают его отвод.
Системы аварийного выключения оборудования. Это системы, отключающие производственное оборудование (например, насосы и компрессоры), открывающие или закрывающие быстродействующие клапаны с тем, чтобы обеспечить безопасность и целостность систем и всего предприятия. Эти системы могут приводиться в действие как вручную, так и автоматически.
Системы, предотвращающие разрушение деталей и узлов систем безопасности
Элементы и узлы систем безопасности должны быть оборудованы устройствами, обеспечивающими надежность их работы, в зависимости от важности их функций. В промышленных установках могут действовать различные системы, дублирующие функции этих узлов, или могут использоваться аналогичные дополнительные системы, например второй охлаждающий насос.
Системы энергоснабжения
Системам снабжения, таким как электроснабжения систем контроля, подачи сжатого воздуха в аппаратуру или подачи азота в качества инертного газа, может потребоваться второй источник питания, например аккумуляторные батареи, буферная емкость или дополнительный комплект баллонов для сжатого воздуха в случае неисправности основных источников.
Системы аварийной сигнализации
Эти системы (в которых используются сенсорные датчики) позволяют оператору определить причину неисправности при ее обнаружении.
Такие системы используются для:
а) управления параметрами процесса (например, температурой, давлением, скоростью потока, его количеством, уровнем, соотношением веществ в смеси, содержанием кислорода);
б) обнаружения неисправностей в узлах системы (насосах, смесителях, компрессорах, вентиляторах и др.);
в) обнаружения утечек (газовые детекторы, эксплозиметры);
г) обнаружения открытого огня или дыма;
д) обнаружения повреждения защитных устройств.
Защитная автоматика
В зависимости от типа и назначения систем используются механические, термические, электромагнитные средства (защита, основанная на непосредственном контроле) и различные реле (защита, основанная на косвенном контроле). Распространенным видом защиты является релейная, которая в основном предназначена для защиты электрооборудования. При срабатывании защиты поврежденный элемент или система автоматически отключается (защита на отключение) или появляется световой (звуковой) сигнал (защита на сигнал). Применяется также защита в виде прекращения подачи электроэнергии или сжатого воздуха к объекту.
Разработка систем защитной автоматики основана на использовании ряда разделов теории управления и регулирования: теории информации и массового обслуживания (в системах автоматического контроля и сигнализации); теоретических основ электротехники (в системах защиты энергосистем и электрических цепей); синтеза релейно-контактных схем (в системах релейной защиты и блокировки). Развитие этих систем связано в настоящее время с использованием микропроцессорной техники.
Технические средства защиты
Работу систем безопасности на предприятии должны обеспечивать технические средства, за счет которых можно ослабить последствия несчастных случаев. К ним относятся:
а) газовые детекторы;
б) системы распыления воды (для охлаждения цистерн или для тушения пожара);
в) струйно-водяные установки;
г) системы для распыления пара;
д) коллекторные сборники.
Способы предотвращения человеческих и организационных ошибок
Человеческие ошибки могут стать причиной крупных аварий. Поэтому их предотвращение должно расцениваться как один из важнейших аспектов обеспечения безопасности. В этой связи можно, например, на химическом предприятии предпринимать следующие меры:
а) применять загрузочные шланги с разными соединительными штуцерами на установках по загрузке автомобилей-цистерн для предотвращения смешивания реактивных веществ (например, серной и азотной кислот);
б) исключить возможность путаницы при определении места соединения монтажных проводов путем надлежащей маркировки и соответствующих разъемов;
в) обеспечить блокировку предохранительных клапанов и выключателей, которые не должны работать одновременно;
г) вести четкую маркировку переключателей, кнопок и панелей управления;
д) организовать надежную систему коммуникаций для работающего персонала;
в) использовать предохранительные устройства, исключающие случайные переключения;ж) проводить обучение работающего персонала.
ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА РИСКА И УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ
Усложнение технологий, использование широкой номенклатуры химических веществ привело к тому, что происходящие техногенные аварии стали носить все более катастрофический характер, оказывая пагубное воздействие на здоровье людей и окружающую природную среду. Впервые серьезное внимание мирового сообщества к крупным промышленным авариям было привлечено после двух катастроф в середине 70-х годов.
1 июня 1974г. в Великобритании (г.Фликсборо) на предприятии, производящем циклогексан, произошел взрыв, в результате которого 28 человек погибли, 89 получили травмы. Предприятию был нанесен значительный материальный ущерб. Спустя два года (10 июля 1976г.), в итальянском городе Севезо на химическом предприятии произошел выброс в атмосферу диоксина, имевший серьезные последствия для здоровья людей, окружающей среды и приведший к эвакуации нескольких тысяч человек. Основная причина таких тяжелых последствий - неподготовленность персонала к действию во время аварий.
Европейское сообщество отреагировало на эти аварии принятием так называемой "Директивы по Севезо" (Директива Европейского Сообщества от 24 июня 1982 № 82.501.ЕЕС по предотвращению крупных промышленных аварий), которая обязала руководителей опасных производств проводить оценку опасности или риска, принимать меры по подготовке к возможным авариям и предоставлять информацию об опасностях.
Через 10 лет (19 ноября 1984г.) произошла крупная авария в г.Мехико (пригород г.Мехико Сан-Хуан-Иксуатепек) - взрыв хранилища сжиженного нефтяного газа, в результате чего около 650 человек погибли, несколько тысяч получили травмы, а около 200 тыс. остались без крова или были эвакуированы. Выброс метилизоцианата на химическом предприятии в г.Бхопале (Индия) в том же году (3 декабря 1984г.) привел к распространению ядовитого газового облака, из-за этого более 2000 чел. погибли (число погибших точно не было установлено, по разным оценкам цифра колеблется в пределах от 2 до 10 тыс. человек), более 200 тыс. были травмированы.
В этих случаях также сказалось практическое отсутствие соответствующих политики, законодательства и механизмов управления безопасностью на промышленных объектах. При расследовании аварий выяснилось, что предприятия и соответствующие государственные органы не имели конкретных планов действий на случай аварии, отсутствовала необходимая информация об используемых химических веществах и технологиях, не были вовремя приняты меры по предотвращению этих аварий. Откликом на эти события стали поправки в Директиве по Севезо для Европейских стран. В Великобритании в 1985г. была разработана и принята основная часть законодательства по предупреждению крупных аварий, именуемая Системой нормативных актов - CIMAN - английская версия Директивы Севезо. Конгрессом США в 1986г. был принят Закон "О чрезвычайном планировании и праве населения на информацию" (поправки к Закону о Суперфонде) и некоторые другие документы.
Поскольку уровень и характер законодательства всегда отражают степень подготовленности общества к решению тех или иных проблем, далеко не во всех странах в 70-80-е годы начало формироваться законодательство по промышленной безопасности, оно было в то время достаточно редким явлением. В 90-е годы международные организации продолжали активную деятельность по урегулированию вопросов предупреждения промышленных аварий. Принятые в последующие годы Конвенция МОТ по предотвращению крупных промышленных аварий и Конвенция ООН о трансграничном воздействии промышленных аварий обязывают страны, подписавшие их, разработать политику в области обеспечения промышленной безопасности. Однако ратификация их возможна только при наличии соответствующего государственного правового регулирования в этих странах.
Крупные промышленные аварии 70-80-х годов, как уже отмечалось, заставили политиков и промышленников развитых стран пересмотреть свое отношение к вопросам промышленной безопасности. Возникла очевидная необходимость появления законов, регулирующих специфические вопросы промышленной безопасности, которые не нормируются ни трудовым, ни экологическим правом. В 80-е годы развивалось законодательство по промышленной безопасности не только в странах ЕЭС, но и в США, Канаде, Японии. Структура систем законодательства в большинстве случаев, в т.ч. и в России, представляет многоступенчатую пирамиду, в вершине которой располагается Основной закон страны (Конституция) или Головной Закон, имеющий либо объединяющие вопросы охраны труда, экологии, гигиены труда и промышленной безопасности. Ниже расположены законы по промышленной безопасности (не во всех странах), которые принимаются либо парламентом, либо региональными органами власти. На следующей ступени- межотраслевые нормативные документы, принимаемые правительством на основании законов. Далее ступень - отраслевая нормативная и нормативно-техническая документация, утвержденная соответствующими компетентными государственными органами. За ними следуют различные ведомственные инструкции, положения, правила и т.д.
Основные элементы правового регулирования промышленной безопасности, составляющие национальные системы регулирования национальной безопасности, сводится к следующим требованиям.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПО СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ
Первое мероприятие в любой системе контроля за опасностями - разработка правительствами через компетентный орган соответствующих критериев, согласно которым должно определяться, какие объекты представляют наибольшую потенциальную угрозу для безопасности. В большинстве стран (США, ФРГ, Нидерландах, Норвегии, Великобритании, Франции) классификация промышленных объектов по опасности производится по наличию опасных веществ на объекте. Такой же подход предлагается в Директиве по Севезо и Конвенции о трансграничном воздействии промышленных аварий. В законодательных актах устанавливается перечень опасных веществ и их пороговых количеств, при превышении которых на промышленном объекте последствий относят к категории опасного. Однако в законодательной международной практике известны и другие подходы к идентификации. Например, законодательством Бельгии опасные промышленные объекты классифицируются по видам опасной деятельности (шахты и каменоломни; паровые машины; предприятия по производству взрывчатых веществ; ядерные реакторы и установки, использующие радиоактивные материалы; предприятия, производящие и использующие отравляющие вещества). В Греции используется иной классификационный признак - по видам опасности. Промышленные объекты классифицируются как опасные ( возможность взрыва, пожара и т.п.), вредные для здоровья (дым, газы и т.п.), дискомфортные ( шум, запах и т.д.).
ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА
Необходимо определить:
- возможные сбои, неполадки и ошибки, которые могут привести к аварии, а также сценарии возможных аварий;
- необходимые превентивные технические и организационные меры, которые должен принять предприниматель во избежание аварии;
- возможные последствия аварий;
- меры, которые должны быть приняты при локализации аварии и ликвидации ее последствий.
Для оценки опасности могут использоваться различные методы, такие как предварительный анализ опасности, анализ дерева ошибок и анализ последствий аварий, оценка риска. Какой бы метод ни применялся, цель оценки опасности - определение потенциальных причин отказа в работе или аварий на промышленном объекте. В большинстве стран критерий оценки опасности - качественные показатели. В Нидерландах используют количественный показатель степени риска.
ДЕКЛАРАЦИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОПАСНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА
Это одна из форм предоставления информации, закрепленная законодательно в странах Европейского сообщества для опасных промышленных объектов. Основная цель декларирования безопасности - заставить предприятие (опасный промышленный объект) провести оценку опасностей и информировать об этих опасностях компетентные органы. Декларация должна включать:
- информацию об объекте и процессах на нем с целью определения характера и масштабов использования опасных веществ;
- перечень мер, направленных на безопасное функционирование объекта и на контроль за отклонениями от обычного режима работ;
- идентификацию типа возможной аварии, ее вероятность и возможные последствия;
- инструкции на случай аварийной ситуации на объекте.
Декларация безопасности должна обновляться либо через определенные промежутки времени, установленные законодательством, либо в случаях внесения изменений на объекте, либо получения новой информации об опасных веществах.
ТРЕБОВАНИЯ К РАЗМЕЩЕНИЮ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА
При размещении промышленного объекта должны учитываться возможные отрицательные воздействия на окружающую среду и население. Законодательно устанавливается процедура получения разрешения на размещение промышленного объекта, обеспечивающее участие в нем государства, предпринимателя и общественности. Политика правильного размещения объекта применяется только к новым объектам. Что касается уже существующих, то она может быть направлена на ограничение развития районов в непосредственной близости от промышленных объектов. В развитых странах, таких как Нидерланды, Бельгия, Япония, в определенных случаях правительство компенсирует населению затраты на переселение из особо техногенно-опасных регионов.
СИСТЕМА ЛИЦЕНЗИРОВАНИЯ
Законодательствами многих стран предусматривается предоставление компетентным органам право ограничивать производство путем установления лицензионного порядка. В большинстве стран требования по лицензированию промышленной деятельности касаются промышленных объектов, отнесенных к категории опасных.
ЭКСПЕРТИЗА ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Проведение экспертизы промышленной безопасности предусматривается на всех стадиях функционирования промышленных объектов, начиная со стадии проектирования. Декларации безопасности также могут стать объектом экспертизы. В практическом руководстве Международного бюро труда "О предупреждении крупных промышленных аварий" говорится о необходимости проведения экспертиз промышленных объектов. Они могут проводиться как в обязательном порядке в соответствии с действующим законодательством, так и по поручению специально уполномоченных органов, местных органов власти или общественности.