Автоматизация системы противопожарной защиты технологической установки полимеризации. Автоматизация системы противопожарной защиты технологической уст. И ликвидации последствий стихийых бедствий магистарская квалификационная работа
 Скачать 3.04 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙЫХ БЕДСТВИЙ МАГИСТАРСКАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Автоматизация системы противопожарной защиты технологической установки полимеризации Москва-2014 Содержание Введение……………………………………………………………………………………....3 Анализ пожарной опасности технологической установки полимеризации………...7 Оценка пожарной опасности технологического процесса полимеризации………...7 Расчет пожарного риска технологической установки полимеризации (на примере Ярославского нефтеперерабатывающего завода)…………………………………………..18 Автоматическая система управления противопожарной защитой (АСУПЗ) установки полимеризации………………………………………………………………………………..27 Обобщенная структура АСУПЗ…………………………………………………………27 Описание комплекса технических средств «ТОРНАДО»………………………….….31 Разработка структуры программного обеспечения АСУПЗ…………………………..40 Расчет надежности автоматической системы управления противопожарной защиты установки полимеризации Ярославского НПЗ ..…………………………………………...43 4. Расчет экономической эффективности предлагаемого варианта АСУПЗ……………..50 Заключение……………………………………………………………………………………58 Литература…………………………………………………………………………………….59 Введение Актуальность работы Нефтеперерабатывающее и нефтехимическое производство является пожаровзрывоопасным, на котором риск возникновения аварийных ситуаций зависит от типа и объема перерабатываемого топлива, способов его использования, уровня технологии и эффективности проведения работ по уменьшению загрязнений. Вопросы повышения уровня пожароопасности и проблемы охраны окружающей среды для предприятий нефтеперерабатывающей промышленности являются весьма актуальными. Это объясняется следующими факторами: концентрацией химических энергоносителей, нефти и нефтепродуктов, их способностью гореть, взрываться и загрязнять опасными выбросами атмосферу; наличием потенциальных опасностей, вызывающих материальные и людские потери; опережающим развитием объемов производства по сравнению с совершенствованием мер предупреждения аварийных и пожароопасных ситуаций; чрезвычайно высокой энергонасыщенностью объектов нефтеперерабатывающей промышленности. Типовой нефтеперерабатывающий завод производительностью 10 - 15 млн. т/год сосредотачивает на своей территории от 200 до 500 тыс. т углеводородного топлива, энергосодержание которого эквивалентно 2 - 5 мегатоннам тротила [14]; интенсификацией технологии, ростом единичных мощностей аппаратов, вследствие чего такие параметры, как температура, давление, содержание взрывопожароопасных веществ растут и приближаются к критическим; несовершенной технологией сбора и утилизации загрязняющих, в том числе пожароопасных, компонентов, попавших в окружающую среду при производстве нефтепродуктов. Номенклатура выпуска нефтеперерабатывающего завода с передовой технологией, обеспечивающей комплексную переработку сырья, стала состоять из сотен позиций, причем многие из изготавливаемых продуктов взрывопожароопасны и (или) токсичны. Перечисленные особенности современных объектов нефтепереработки обусловливают их потенциальную взрывопожарную опасность. Экономическая целесообразность кластеризации промышленных предприятий ведет к созданию индустриальных комплексов, в которых узлы энергораспределения, тепло- и газоснабжения в большей части размещаются в местах проживания населения. Вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти и их остаточных компонентов, а также установок большой единичной мощности возникли принципиально новые требования по обеспечению безопасности как к созданию этих производств, так и к их размещению: обеспечение высокой надежности их функционирования производств с целью уменьшения выбросов пожароопасных веществ в окружающую среду; организация оптимальной работы каждого аппарата, системы и всей технологической схемы с учетом совокупных требований энерготехнологии, экономики, экологии и пожаробезопасности; оптимальное распределение нагрузок по аппаратам, реакторам, подсистемам, обеспечивающее наиболее полную регенерацию энергетических потоков и эффективное использование материальных ресурсов с целью полной утилизации всех возможных выбросов взрывопожароопасных веществ в окружающую среду. На современном этапе повышение уровня пожарной безопасности неразрывно связано с комплексным решением рассматриваемых проблем всего нефтеперерабатывающего производства, включающим следующие основные этапы [6 - 13]: анализ опасности и оценка риска современных объектов нефтепереработки; разработка и внедрение системы мониторинга окружающей среды, основными задачами которого являются слежение за качеством окружающей среды, выявление источников загрязнений пожароопасными компонентами, предупреждение возможных аварийных ситуаций и оперативное принятие мер по их устранению; разработка методов повышения безопасности производства на базе исследований и совершенствования технологических процессов и реконструкции оборудования; совершенствование систем управления производством, технологическими процессами, качеством окружающей среды и взрывопожаробезопасностью. Ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих предприятиях происходит до 1500 аварий, 4 % которых уносят значительное число человеческих жизней; материальный ущерб в среднем составляет свыше 100 млн. долл. в год, причем аварийность имеет тенденцию к росту [14]. Основную опасность промышленной территории объектов нефтепереработки представляют образование зон взрывоопасных концентраций (ВОК), пожары и взрывы. Из них пожары составляют 58,5 % от общего числа опасных ситуаций, образование зон ВОК - 17,9 %, взрывы - 15,1 %, прочие опасные ситуации - 8,5 % [15, 16]. Пожары и взрывы на открытых технологических установках возникают в ситуациях, которые характеризуются следующими факторами: неконтролируемым выбросом горючих сред в атмосферу, загазованностью территории и образованием взрывоопасного облака топливно-воздушной смеси (ТВС), наличием источников зажигания. Опасность загрязнения промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов связана с образованием полей (зон) концентраций углеводородов, превышающих предельно допустимые значения и достигающих нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР) как при возможной аварии, так и при регламентном режиме работы технологического оборудования. Изучение причин возникновения аварий на основе научной методологии позволяет решать важнейшие практические вопросы промышленной безопасности. Выявление опасных производственных факторов и зон их воздействия на прилегающие к предприятиям жилые объекты способствует внедрению новых технологий обеспечения безопасности и оптимизации мер и средств подавления развития и локализации аварий. Проводимые ранее экспериментальные исследования относились в основном к изучению распространения зон ВОК и токсичных концентраций в воздушной среде промплощадок нефтебаз и НПЗ при нормальном режиме работы технологического оборудования [17-20]. Кроме того, эти исследования носили локальный характер и базировались в большей части на определении размеров взрывоопасных зон, образованных одним или несколькими точечными источниками выделения (трубопроводов, реакторов и др.). Так, на Ярославском НПЗ по данным инвентаризации [6, 11] имеется около 300 организованных и неорганизованных стационарных источников выброса (резервуары, реакторы, поверхности испарения очистных сооружений, неплотности запорной арматуры и фланцевых соединений технологических установок и др.), из которых ежесуточно в атмосферу завода может выделяться до 110 т углеводородных газов. Выборочная экспресс-оценка воздушной среды на содержание углеводородного поллютанта, проводимая заводской лабораторией (отбор проб воздуха проводится в 5 точках на промтерритории завода и в 6 точках контроля в санитарно-защитной зоне), не позволяет достаточно объективно оценить опасность воздушной среды объекта исследования. Необходимы комплексные теоретические исследования возможной загазованности воздушной среды территории НПЗ при регламентном и аварийном режимах функционирования технологического оборудования и разработка на базе этих исследований автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ). В этой связи представляется целесообразным проведение расчетов, включающих полномасштабную комплексную оценку динамики полей пожаровзрывоопасных компонентов на промышленной территории технологических установок углубленной переработки нефтяного сырья на примере Ярославского НПЗ. Проведение этой оценки позволит разработать карты содержания углеводородного поллютанта в атмосфере, установить пределы изменения концентрации загрязнителя, определить зоны повышенного содержания опасных компонентов, выбрать тип датчиков для подсистемы автоматического контроля зон ВОК АСУПЗ [21]. Существующие на объектах нефтепереработки и нефтехимии отечественные установки пожарной сигнализации, элементы электроуправления установок пожаротушения относятся к обычному (релейному) типу, выполнены автономно, связи между установками и их с микропроцессорной и вычислительной техникой, в основном, отсутствуют. Это не позволяет создавать системы пожаровзрывобезопасности, объединяющие технические средства пожарной и противоаварийной автоматики как единое целое [36]. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтепереработки автоматизированной системы управления противопожарной защитой (АСУПЗ) [36-39]. Значительный вклад в разработку теоретических основ создания АСУПЗ потенциально опасных объектов внесли российские ученые Топольский Н.Г., Федоров А.В., Блудчий Н.П., Алешков А.М. и др. Вместе с тем, доля научных публикаций в области формализованного описания и алгоритмизации структур АСУПЗ нефтеперерабатывающих объектов пока незначительна. До настоящего времени не рассмотрены в полном объеме важные вопросы создания подсистем АСУПЗ реализующих функции раннего обнаружения и ликвидации аварийных ситуаций. Открытым остается также вопрос о создании подсистем реализующих функцию оперативного прогнозирования пожароопасных ситуаций в технологических процессах углубленной переработки нефтепродуктов и получения полипропилена. Алгоритмическая структура математического обеспечения АСУПЗ должна включать разработку сетевой модели процесса полимеризации, анализ динамики изменений пожароопасных параметров с целью определения возможности возникновения аварийной ситуации. Актуальность разработки такой модели состоит в необходимости определять и динамически оценивать состояние системы, изменение параметров процессов при изменении структуры связей ее элементов. Существующий математический аппарат моделирования таких ситуаций не может в полной мере обеспечить комплексное решение данных задач, так как применяемые в настоящее время модели не учитывают одновременное описание изменений структуры связей элементов и изменений процессов внутри структуры сложной системы. Перечисленные проблемы в комплексе подтверждают необходимость создания АСУПЗ на объектах с технологическим процессом получения полипропилена. Данная научно-техническая задача является актуальной и ее решение направлено на повышение безопасности нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов. Анализ пожарной опасности технологической установки полимеризации 1.1. Оценка пожарной опасности технологического процесса полимеризации Ярославский НПЗ - предприятие топливного профиля с глубокой схемой переработки нефти, специализирующееся на выпуске топлив различного назначения, композиционных материалов на битумной и полимерной основах, изделий из пластмасс (рис. 1). В производстве задействовано 46 технологических объектов и резервуарный парк. Снабжение завода нефтью производится из восточных и северных районов страны. Нефть поступает на завод по двум трубопроводам в сырьевые резервуары; далее на установки электрообессоливания и обезвоживания, где происходит выделение солей из нефти. На заводе имеются две отдельно стоящие электрообессоливающие установки ЭЛОУ и блок ЭЛОУ в составе установки АВТ-6. Обессоленная нефть поступает на установки первичной переработки нефти: АТ-висбрекинга (атмосферная перегонка), АВТ-3, АВТ-6 (атмосферно-вакуумная перегонка). В процессе первичной переработки из нефти извлекаются компоненты (бензин, керосин, дизельное топливо, вакуумный газойль) и получают тяжелые остатки (мазут и гудрон). Продукты первичной переработки нефти направляются на вторичные процессы переработки: каталитический крекинг (Г-43-107), каталитический риформинг (35-11/300 и ЛЧ-35/11-1000), гидроочистку (24/2000), изомеризацию (22/4), полимеризацию, производство окисленных битумов. Бензиновые прямогонные фракции поступают на установки каталитического риформинга с целью повышения октанового числа бензинов за счет реакции ароматизации на катализаторах под давлением водорода. Компоненты дизельного топлива содержат значительное количество сернистых соединений. Для очистки от серы дизельные фракции поступают на установку гидроочистки. Остаток перегонки мазута - гудрон поступает на установку получения дорожных и строительных битумов. Мощность завода по переработке сернистых нефтей составляет до 12 млн. т в год. Пожаровзрывоопасность нефтеперерабатывающих производств в наибольшей степени обусловлена концентрацией на технологических установках большого количества энергонасыщенных компонентов (сырье, готовая продукция). Кроме того, образование взрывоопасных смесей газов и паров с воздухом происходит, как правило, за сравнительно короткое время и взрывы этих смесей обладают большой разрушительной силой. Энергосодержание углеводородного топлива, единовременно обращающегося в технологических установках и резервуарных парках Ярославского НПЗ, эквивалентно 2,5 Мт тринитротолуола [13,70].  Рис. 1. Поточная схема переработки сырой нефти на Ярославском НПЗ Пожаровзрывоопасность предприятия как комплекса технологических установок в значительной степени зависит от параметров технологического процесса, аппаратурного оформления, особенностей применяемого оборудования. К числу аппаратов с повышенной пожаровзрывоопасностью относятся: абсорберы, адсорберы, газгольдеры, емкости под давлением, теплообменники, технологические печи, ректификационные колонны, реакторы под давлением, насосы, компрессоры, сборники сжиженных газов. Оценка уровня опасности потенциально опасных по аварийному образованию зон ВОК технологических установок проведена при предположении, что при аварийной разгерметизации наиболее энергонасыщенного аппарата (блока) технологической установки все его содержимое выходит наружу, образуя в смеси с воздухом взрывоопасное облако. Анализ уровня опасности технологических установок свидетельствует, что наиболее опасными являются: парк емкостей высокого давления газораздаточной станции (ГРС), установка каталитического крекинга Г-43-107, установка полимеризации, установка ЭЛОУ-АВТ-6. Из приведенного анализа энергетического потенциала наружных установок следует, что на промышленной территории завода существует потенциальная опасность крупных аварий с большими разрушительными последствиями. Далее рассмотрены возможные последствия таких аварий для отдельно взятых потенциально опасных технологических установок. В соответствии с [22] расчет радиусов зон разрушения промышленных объектов при объемных взрывах парогазовоздушных облаков массой более 5 т проводился по формуле:  ,где K - безразмерный коэффициент, определяемый по характеристикам реальных повреждений типовых зданий и промышленных сооружений, вызванных ударными волнами при взрывах [22,25,26]. Результаты расчетов для ТУ полимеризации представлены в табл.1. Таблица 1 - Основные классы и границы зон разрушения промышленной установки полимеризации при взрывах парогазовоздушных облаков
Рост крупных аварий, сопровождавшихся пожарами и взрывами, свидетельствует о недостаточной эффективности пожаровзрывобезопасных мероприятий. При этом аварии, как правило, связаны с неконтролируемым выбросом горючих сред в атмосферу, загазованностью территории и образованием взрывоопасных облаков ТВС, которые образуются как при регламентном режиме работы технологического оборудования в случае достаточно длительного истечения из организованных и неорганизованных источников выделения, так и вследствие аварийной разгерметизации (полной или частичной) аппаратов, технологических трубопроводов, приводящей к мгновенному выбросу большого количества углеводородного топлива. Защита реактора P-401 Ярославского НПЗ от аварийного образования зон ВОК обеспечивается использованием комплексных систем, позволяющих автоматически контролировать изменение концентрации углеводородных примесей в воздухе промышленной территории наружных установок, включением устройств защиты (паровые или водяные завесы), проведением оценки риска предприятия и прогнозированием динамики полей аварийной загазованности на территории и за ее пределами. Процесс получения полипропилена (ПП). Полимеризация это процесс образования полимеров. При этом взаимодействие молекул мономера не сопровождается выделением побочных низкомолекулярных соединений. Процесс полимеризации используется в промышленности для получения полиолефинов, полистирола, полипропилена и большинства каучуков. В качестве исходных веществ для реакций полимеризации применяются ненасыщенные соединения, имеющие двойные или тройные связи (этилен, ацетилен, винилхлорид, стирол, бутадиен и их производные.) При полимеризации происходит разрыв двойной связи, в результате чего молекула мономера реагирует с другими молекулами. Непрерывный процесс полимеризации. Результаты исследования кинетических закономерностей полимеризации и разработанная на их основе математическая модель процесса явились основой непрерывного способа полимеризации, который реализован на Ярославском НПЗ на промышленной установке фирмы «Технимон» производительностью 100 тыс. т в год [71,78]. Установка включает стадии: подготовка и концентрирование пропан- пропиленовой фракции; подготовка, дозировка и хранение компонентов катализатора: форполимеризация; полимеризация пропилена; грануляция ПП; дегазация, отпарка и сушка полимера. В процессе полимеризации в качестве стереорегулирующего агента использовался модификатор: циклогексилметил - диметоксисилан, который применяется в чистом или разбавленном маслом виде. Сокатализатор - 100%-ный триэтилалюминий. При применении в непрерывном процессе полимеризации высокоэффективного ТМК достигается высокий выход ПП и тем самым исключаются стадия отмывки ПП от остатков катализатора и блок отмывки от ПП и АПП. Использование петлевого реактора вместо емкостного с мешалкой позволяет за счет высокой скорости циркуляции реакционной массы в реакторе исключить возможность отложения полимера на стенках реактора. Кроме того, непрерывный процесс является практически безотходным производством, так как основные отходы утилизируются: блоки полимера, образующиеся при пуске экструдера, направляются на переработку (дробление) и затем на изготовление упаковочной тары; порошок полимера, образовавшийся к моменту аварийной остановки установки, также направляется на переработку; масло, использующееся на установке в качестве разбавителя, с примесями ТЭА, катализатора, донора и др. сжигается в специальной печи сжигания; ■ отработанная щелочь направляется для использования в цех первичной перегонки нефти. В непрерывном процессе полимеризации пропилена обеспечивается высокий уровень автоматизации процесса, широкое применение автоматических анализаторов и приборов контроля и управления. Сравнительная характеристика технико-экономических показателей полупериодического и непрерывного процессов производства ПП свидетельствует, что нормы расхода всех показателей на 1 т производимого ПП для непрерывного процесса значительно ниже (табл. 2). Таблица 2 - Сравнительные характеристики технико-экономических показателей полупериодического и непрерывного комплексов по производству полипропилена
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||