Акимов Лапин НТС уч пос

Ã Ë À  À 1 0

ского 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 показано, как при помощи системы контроля переменные характеристики производственного процесса в случае нарушения нормального режима удерживаются в безопасных пределах.

Рис. 10.1. 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 ее нормальных значений. Если этого сделать не удается, переменная величина показателя

311

Ã Ë À  À 1 0

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 химиче- ских 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.

10.2.Типовые структуры и принципы функционирования автоматических систем защиты

Представляется целесообразным рассмотреть типовые структуры автоматической системы защиты (АСЗ) на примере использования ее в химиче- ском 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:

312

ÃË À Â À 1 0

—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.

Рис. 10.2. 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 значе- ния 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.

313

Ã Ë À  À 1 0

Таким образом, в анализаторах происходит сравнение текущих значений параметров с допускаемыми. Различные параметры могут вызывать одинаковые и разные управляющие воздействия. Узел управляющих воздействий

âосновном 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, после сравнения текущего значения давления воды с заданным

âаварийном 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. 10.3.

Рис. 10.3. Структурная схема АСЗ, реализующей сложный алгоритм защиты

В функции логического устройства (ЛУ) входит приведение в действие исполнительных устройств по определенному алгоритму; ЛУ может реализовать различные функции —«ИЛИ», «НЕ», «И», «ЗАПРЕТ» и т. д. В общем случае логическое устройство должно реализовать функции вида:

314

Ã Ë À  À 1 0

Приведенные уравнения описывают алгоритм защиты потенциально опасного процесса от развития аварии. Таким образом, алгоритм защиты АСЗ второго типа задается в виде набора логических функций, каждая из которых вытекает из реальных связей, существующих в объекте защиты. Составление каждой логической функции опирается на результаты исследования процесса. Прежде чем реализовать этот алгоритм, функции надо минимизировать. Тем самым число логических элементов сократится до минимума и одновременно повысится надежность АСЗ. Наиболее характерное отличие АСЗ со сложным алгоритмом защиты — наличие двух ступеней защитных воздействий. Для примера рассмотрим АСЗ процесса нитрования глицерина. Эта система защиты прекращает подачу глицерина и кислотной смеси при следующих условиях:

1)скорость вращения мешалки в нитраторе снизилась более чем на 30 %;

2)расход кислоты превысил допустимое значение;

3)температура в реакторе достигла первого предела безопасности;

4)упало давление в линии подачи охлаждающего рассола ниже допусти-

ìîãî;

5)давление сжатого воздуха в линии питания АСЗ упало ниже допусти-

ìîãî;

6)нитратор переполнен.

Если, несмотря на принятые меры, процесс не вернулся в режим нормального функционирования и температура продолжает расти, то срабатывает II ступень защиты и содержимое нитратора автоматически сбрасывается в аварийную емкость, как только температура реакционной массы достигнет второго предела безопасности.

Следовательно, АСЗ с развитой логической частью, реализующая сложный алгоритм защиты, решает две задачи: возврат процесса в режим нормального функционирования и ликвидация процесса (в случае когда возврат уже неосуществим).

Предельное значение параметра, при котором срабатывают исполнительные механизмы АСЗ первых двух типов, выбирается наименьшим (или наибольшим) из условия обеспечения безопасности процесса. Эти условия обычно указываются только в регламентах и инструкциях, базируются на инструктивном представлении о характере задачи и существенно зависят от уровня технических знаний их составителей. Использование алгоритмов первых двух типов защиты неизбежно приводит к технологическим потерям за счет срабатываний АСЗ, когда процесс протекает нормально или когда еще можно вывести в нормальный режим работы другими средствами (например, временной приостановкой процесса).

Одной из задач создания адаптивной АСЗ является составление развитых алгоритмов, основывающихся не на интуитивном представлении о характере процесса, а на строгом математическом описании его. При этом математическое описание его должно включать как математическое описание самого химико-технологического процесса с учетом его кинетики, гидроди-

315

Ã Ë À  À 1 0

намической модели, теплового баланса в условиях аварийных ситуаций, так и описание процессов, происходящих в аппарате после исполнительного управляющего воздействия АСЗ того или иного типа. Система защиты, построенная на основе этого алгоритма, учитывает все особенности защищаемого процесса и за счет варьирования установки срабатывания позволяет избежать значительных потерь. Структурная адаптивной АСЗ показана на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Структурная схема адаптивной АСЗ

Структурная схема адаптивной АСЗ включает информационное устройство, состоящее из измерительных преобразователей (ИП) и усилитель- но-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) + M [N (m)]},

ãäå: 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.);

316

Ã Ë À  À 1 0

S(m) — приведенные к общим единицам измерения затраты на построение системы и ее эксплуатацию как функция от векто-

ров параметров;

Ì — область допустимых решений вектора m.

N— усредненная по множеству Ì функция от несовершенства

параметров технических устройств АСЗ, обозначаемых век-

тором m;

Для случая построения АСЗ для потенциально опасных процессов ограничение области допустимых решений необходимо сформулировать прежде всего как обеспечение требуемой безаварийности:

Ô(m)=ñ,

ãäå: Ô(m) — функция критерия безаварийности от параметров техниче- ских устройств АСЗ;

ñ— требуемое значение критерия безаварийности.

10.3.Автоматическая интеллектуализированная 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 пожаро-, взрывоили 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 програм- мно-методическое обеспечение, алгоритмы контроля и управления самым

317

Ã Ë À  À 1 0

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. 10.5. 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).

Исходя из этих соображений, предпочтительней может оказаться структура, представленная на рис. 10.6. 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.

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 обеспечива-

318

Ã Ë À  À 1 0

Рис. 10.5. Централизованная организация технического интеллекта химического производства

ется блокировкой ее со стороны выхода системы ПАЗ на период проведения операции, остановка которых может привести к взрывам. По окончании такой операции блокировка снимается.

10.4.Типовые локальные технические системы

èсредства 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.

319

Ã Ë À  À 1 0

Рис. 10.6. Вариант децентрализованной организации системы обеспечения химического производства

10.4.1.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.

320