Проектирование автоматизированной системы АСКУЗ

АСКУЗ обеспечивает контроль уровня загазованности на объектах цеха, промплощадке предприятий НГО, опасных с точки зрения возможности появления взрыво-, пожароопасных и ядовитых газов, и передачу информации об уровне загазованности диспетчеру, а также включение аварийной сигнализации на объекте при превышении на нем допустимого уровня загазованности или включение вентиляции [13].

Важным требованием к АСКУЗ является возможность контроля концентрации ядовитых газов. Нормативными регламентами, регулирующими безопасность жизнедеятельности персонала на объектах НГО, являются:

1. Федеральный закон от 30.12.2009 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» № 384-ФЗ.

2. ГОСТ 12.1.005-88 «Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

3. РД 03-409-01 Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно- воздушных смесей

4. РД 35.240.00-КТН-207-08 «Автоматизация и телемеханизация магистральных нефтепроводов. Основные положения».

5. РД БТ 39-0147171-003-88 «Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов в производственных помещениях и на наружных площадках предприятий нефтяной и газовой промышленности».

6. РД БТ 39-0147171-003 «Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов».

7. СТО Газпром 2-2.3-351-2009 «Методические указания по проведению анализа риска для опасных производственных объектов газотранспортных предприятий ОАО "Газпром"».

8. ВСН 64-86 «Методические указания по установке сигнализаторов и газоанализаторов контроля довзрывоопасных и предельно допустимых концентраций химических веществ в воздухе производственных помещений».

9. РД БТ 39-0147171-003-88 «Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов в производственных помещениях и на наружных площадках предприятий нефтяной и газовой промышленности».

10. ПБ 03-517-02 «Общие правила промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов».

11. ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств».

Оценку токсикологического риска (ГОСТ Р ИСО/МЭК 31010) применяют для оценки подверженности растений, животных и людей воздействию экологических опасностей. Менеджмент токсикологического риска необходим на каждом этапе принятия решений, включая сравнительную оценку и обработку риска.

Метод оценки токсикологического риска включает в себя анализ опасностей или источников ущерба и их воздействий на целевые группы населения и путей экспозиции опасных воздействий на эти группы. Полученную информацию затем обрабатывают и получают вероятностную оценку степени и характера ущерба.

При проектировании АСКУЗ различают концентрационный предел распространения пламени, концентрационный предел воспламенения, которые применяются при категорировании помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, для анализа риска аварии и оценки возможного ущерба, при разработке мер по предотвращению пожаров и взрывов в технологическом оборудовании при настройке измерителей. В соответствии с ГОСТ Р 52136-2003 «Газоанализаторы и сигнализаторы горючих газов и паров электрические. Общие требования и методы испытаний» эти концентрационные пределы являются эквивалентными.

Для всех вредных веществ, известных в настоящее время, установлена максимальная концентрация, при которой не происходит никакого вредного воздействия на организм человека (ГОСТ 12.1.005-88), такая концентрация называется предельно-допустимой концентрацией (ПДК). Считается, что 10% НКПР это минимальные требования по ПДК. Однако при проектировании АСКУЗ проектные организации сами обосновывают предельные значения этих концентраций. ГОСТ Р Р ИСО/МЭК 31010 рекомендует использовать для контроля два уровня: уровень, на котором нет заметного воздействия (NOEL) и нет заметного отрицательного воздействия (NOAEL). В данном пособии эти величины называются соответственно предельным и допустимым значениями. Справочная информация и логическое обоснование для каждого вредного вещества периодически публикуется в Документации по пороговым величинам Documentation of the Threshold Limit Values (ACGIH).

ПДК – «это концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работев течение 8 ч или при другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений».

В настоящее время существует большое количество методик для расчета последствий аварийных выбросов опасных веществ. Среди отечественных методик следует отметить ГОСТ 12.3.047-98, РД 03-409-01, ПБ 09-170-97 СТО Газпром 2-2.3-351-2009 и методику оценки последствий химических аварий с использованием САПР ТОКСИ+Риск [22] (демоверсия, находится по адресу http://www.safety.ru).

Эти методики с различной степенью детализации рассматривают такие процессы как:

· поступление отравляющих веществ (ОВ) в окружающую среду (залповое (мгновенное) и продолжительное истечение газа, жидкости или двухфазного потока из отверстий или патрубков, трубопроводов);

· распространение ОВ в окружающей среде (растекание по поверхности, рассеяние в атмосфере);

· фазовые переходы и химическое разложение ОВ (кипение, испарение, горение и взрыв);

· воздействие поражающих факторов на объекты (токсическое воздействие, воздействие волн давления, удар пламенем, осколки, термическое излучение от пожаров пролива, горящих облаков, огненных шаров).

Пары нефти и природного газа относятся к веществам со слабо выраженным токсическим действием. Они поражают, главным образом, центральную нервную систему вызывая наркотическое опьянение.

Наиболее опасными отравляющими свойствами обладают нефти, содержащие значительное количество сернистых соединений и, особенно, сероводород. Опасность отравления при обращении с высокосернистыми нефтями состоит в комбинированном воздействии углеводородов и сероводорода (ПДК сероводорода в смеси с углеводородами составляет 3 мг/м³). При работе с ними применяются особые меры предосторожности. Нефть и газ являются сложной продукцией, характеристики которой определяют состав токсичных газов и паров при различных температурах, давлениях, условиях протекания технологических процессов, опасных для здоровья человека.

Для обеспечения безопасной эксплуатации объектов нефтегазовой отрасли используется непрерывный контроль прямых и сопутствующих технологическому процессу уровня загазованности в зоне работы технологических объектов. Системы контроля загазованности комплектуются первичными газоаналитическими преобразователями, настраиваемыми (калибруемыми) под определенный тип газовой смеси [14]. Датчики контроля загазованности контролируют обе составляющие газовой опасности: горючую (взрвоопасность) и токсичную.

Традиционно для измерения опасных концентраций горючих газов используются термокаталитические датчики ПДК. Они состоят из миниатюрного чувствительного элемента, иногда называемого также шариком, "пеллистором" (Pellistor) или "сигистором" (Siegistor). Последние два являются зарегистрированными торговыми марками серийных устройств.

Действие этого типа датчика основано на том, что при прохождении горючего газа или воздушной смеси по поверхности катализатора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру шарика. Это, в свою очередь, ведет к изменению сопротивления платиновой катушки, которое можно измерить, если использовать катушку в качестве температурного датчика в стандартной цепи с измерительным мостом. Изменение сопротивления находится в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде, его можно отобразить на измерительном инструменте.

Эти измерительные приборы получили преимущественное применение благодаря очевидным достоинствам: дешевизне, линейности функции преобразования, воспроизводимости характеристик, что обеспечивает их взаимозаменяемость при использовании в составе многоканальных измерительных систем. Поскольку выходным сигналом термокаталитического датчика в конечном итоге является изменение сопротивления электрическому току, измеряемому по мостовой схеме, то влияние некоторых внешних факторов (изменение напряжения питания, температуры, относительной влажности) минимизируется. Чувствительность термокаталитических датчиков для целей контроля загазованности на объектах нефтегазового комплекса не создает проблем для схемотехнических решений конкретной аппаратуры.

Датчики ПДК ОВ устанавливаются в производственных помещениях, включая и помещения с постоянным пребыванием обслуживающего персонала, там, где есть источники возможного выделения газов и паров, относящихся по степени воздействия на организм человека к 1 и 2 классам опасности (РД БТ 39-0147171-003 «Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов»), и сероводорода с молярной долей в газе более 0,5%. Эти датчики устанавливаются, как в рабочей зоне на открытых площадках объектов бурения, добычи, так и на технологических установках промысловой подготовки и транспорта нефти и газа, переработки газа там, где есть источники возможного выделения газов и паров. В производственных помещениях датчики ПДК устанавливаются в местах преимущественного пребывания персонала в количестве не менее одного датчика на 200 м² площади, но не менее 1 датчика на помещение. Датчики ПДК устанавливаются на расстоянии не менее 3 м от воздухоподающих устройств приточной вентиляции и не менее 1 м от возможных источников утечки вредных веществ. На открытых площадках объектов промысловой подготовки нефти и газа и переработки газа датчики ПДК устанавливаются по периметру площадки технологического оборудования, содержащего вредные вещества, на расстоянии до 3 м от оборудования, не более 20 м друг от друга и на высоте 0,5 м от поверхности земли (пола).

Датчики ПДК на объектах бурения, добычи, промыслового транспорта нефти и газа устанавливаются на высоте 0,5 м от уровня земли (пола) у основного входа на промплощадку и в помещениях у рабочего места персонала. Дополнительно датчики ПДК устанавливаются:

· на буровой у вибросита на высоте 0,5-0,7 м от его поверхности; на рабочей площадке на расстоянии 0,5 м от стола ротора (по горизонтали); в подвышечном пространстве на уровне универсального превентора на расстоянии 1 м от оси скважины в направлении преобладающего ветра; в насосном помещении между насосами; на добывающей скважине у устья скважины на расстоянии 1 м от устья со стороны подхода обслуживающего персонала; на объектах промыслового транспорта нефти и газа:

· у камер приема и запуска очистительных устройств на расстоянии 1 м от основного разъема на уровне разъема;

· у дренажной емкости и сепаратора на расстоянии 1 м со стороны подхода обслуживающего персонала;

· на входных манифольдах на расстоянии 1 м от арматуры (один датчик на каждые 10 м зоны обслуживания);

· у надземных кранов-отсекателей промысловых трубопроводов на расстоянии 1 м со стороны подхода обслуживающего персонала.

АСКУЗ обеспечивает формирование тревожного сигнала у диспетчера на пульте управления и предупреждающих световых и звуковых сигналов для работников предприятия по ГОСТ 12.1.005-88 «Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

На бурящейся скважине предусматривается формирование сигналов от датчиков ПДК сероводорода, а на рабочей площадке:

· у индикатора веса;

· в насосном помещении у пульта управления;

· у вибросита.

Не смотря на явные достоинства термокаталитических датчиков, они имеют весьма существенные недостатки, снижающие возможности и эффективность использования систем контроля загазованности. К числу основных недостатков следует отнести:

• неселективность, т. е. неспособность определять тип опасного газа;

• отравляемость, т. е. их выход из строя при больших концентрациях опасных газов;

• достаточно большое потребление энергии, вызванное необходимостью подогрева чувствительного резистора до температуры более 200°С;

• небольшой срок службы, не превышающий трех лет, что вызвано разрушением под воздействием постоянной повышенной температуры термокаталитического слоя чувствительного резистора, и, как следствие, постоянное снижение чувствительности датчика;

• необходимость плановой ежегодной регламентной замены датчиков, что связанно с конечным сроком их службы и необходимостью обеспечения гарантированной работоспособности;

• обязательное присутствие кислорода в контролируемой атмосфере;

• низкое быстродействие;

• необходимость регулярной регулировки нуля и калибровки в составе измерительной аппаратуры, вызванной снижением чувствительности;

• ограниченный диапазон рабочих температур (от -10 до +50 °С).

В последние годы на мировом рынке автоматизации при измерении опасных концентраций углеводородов нефтяного ряда наблюдается переход от традиционных термокаталитических газоанализаторов к газоанализаторам оптического типа, так как многие газы имеют характерные полосы поглощения в инфракрасной области спектра. По величине поглощения излучения, прошедшего сквозь газовую среду, можно измерить концентрацию газа.

Благодаря развитию современной электронной техники с использованием оптических методов измерения стало возможным определение очень низкой концентрации газа. Выходной сигнал лазера настраивается на длину воны поглощения газа и таким образом осуществляется значительное увеличение его чувствительности, что особенно важно для контроля токсичных газов.

Область применения оптических датчиков практически не ограничена. Это объясняется тем, что оптические датчики, в отличие от термокаталитических, электрохимических или полупроводниковых, не имеют непосредственного контакта между чувствительными элементами и измеряемой средой (загазованной атмосферой). В процессе эксплуатации их можно перенастраивать под другой вид газа.

Кроме того, оптические датчики способны работать в широком диапазоне температур (от -60 до +85 °С), что позволяет использовать их как в закрытых помещениях, так и на открытых площадках в составе сигнализаторов и газоанализаторов горючих газов и паров в местах возможного появления метана, пропана или паров нефтепродуктов.

Преимущество оптических газоанализаторов по сравнению с иными типами (электрохимическими, термокаталитическими, полу проводниковыми) заключается также в отсутствии контакта между газовой средой и чувствительными элементами (сквозь газовую пробу проходит лишь луч света, а излучатель и фотоприемник защищены прозрачными окнами из химически стойкого стекла). Поэтому для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества и соединения (хлор, сера, фосфор, фтор, аммиак, окислы азота, тетраэтилсвинец и т. д.), выводящие из строя газоанализаторы, в основе действия которых лежат химические реакции. Не страшны им и концентрационные перегрузки вплоть до 100%-ной концентрации определяемого газа, причем время восстановления после перегрузки определяется только временем обновления содержимого газовой камеры.

Еще одна уникальная особенность оптических газоанализаторов избирательность. В них, в отличие от других типов приборов, можно полностью исключить реакцию на другие газы, так как спектры поглощения различных газов не совпадают.

К достоинствам оптических газоанализаторов относится также их быстродействие. Если для газовых датчиков, в основе измерения которых лежит химическое взаимодействие с определяемым газом (термокаталитические и электрохимические сенсоры), существует принципиальное ограничение времени измерения, определяемое скоростью протекания химических реакций и составляющее обычно несколько секунд, то для оптических газоанализаторов быстродействие может достигать долей секунды.

Еще одна причина перехода на оптические газоанализаторы – более стабильное положение нуля и стабильная чувствительность к контролируемому газу по сравнению с термокаталитическими газоанализаторами. Это позволяет отказаться от процедур ежедневной калибровки и установки нуля, необходимых для термокаталитических датчиков. В то же время использование в оптических газоанализаторах в качестве чувствительных элементов полупроводниковых изделий, работающих постоянно в штатных условиях, обеспечивает их функционирование на протяжении более 10 лет. Все вышесказанное обеспечивает для оптических анализаторов более выгодное соотношение цена/качество в течение длительного срока их эксплуатации.

Меняя длину газовой камеры, поставщики создают приборы для измерения в самых разных диапазонах концентраций и с различной чувствительностью.

Требования к установке первичных газоаналитических преобразователей на объектах ОАО «АК «Транснефть» определяются РД 35.240.00-КТН-207-08 «Автоматизация и телемеханизация магистральных нефтепроводов. Основные положения», РД БТ 39-0147171-003-88 «Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов в производственных помещениях и на наружных площадках предприятий нефтяной и газовой промышленности».

Для контроля опасных для здоровья концентраций паров нефти и нефтепродуктов на объектах ОАО «АК «Транснефть» применяются современные газоаналитические преобразователи оптического типа СКЗ-12-Ех-01.М, ЛИД1.000-Ех-УВГ-А, СГАЭС-ТН, СГОЭС, Polytron 2 IR, принцип действия которых основан на абсорбции молекулами углеводородов излучения в инфракрасной области спектра.

Основные этапы проектирования АСКУЗ сводятся к следующим:

· Оценка характеристик ОВ объекта.

· Оценка рисков ОВ.

· Выбор норм и правил для проектирования системы.

· Принятие решения о соответствующей категории защиты и размерах защищаемой зоны.

· Анализ возможных сценариев развития опасности.

· Выбор подходящих датчиков контроля ОВ.

· Схемное размещение датчиков.

· Разработка технической документации АСКУЗ (структурной и принципиальной схемы, схемы внешних соединений и др.).

Оценка рисков ОВ. Она включает в себя следующие этапы:

1. Формулировка проблемы, включая установление области применения оценки путем определения целевых групп работников, населения и типов опасностей.

2. Идентификация опасностей, включая идентификацию всех возможных источников вреда для целевой группы работников, населения от исследуемых опасностей. Идентификация опасностей обычно основана на знаниях экспертов и данных опубликованных источников.

3 Анализ опасностей, включая исследование характера и природы опасностей и их взаимодействия с объектом воздействия. Например, при исследовании воздействия на человеческий организм химических веществ опасности могут включать в себя острую и хроническую токсичность, возможность повреждения ДНК, вызывающего онкологические заболевания, нарушения эмбрионального развития и репродукции человека. Для каждого опасного воздействия определяют величину воздействия (Воздействие), совокупность воздействующих опасностей, которым подвергается целевая группа работников, населения (Дозу), а также, по возможности, механизм этого опасного воздействия. Отмечаются уровни, на которых нет заметного воздействия (NOEL) и нет заметного отрицательного воздействия (NOAEL). Эти уровни используют в качестве критериев приемлемости риска.

Для оценки экспозиции химических веществ используют результаты тестирования и строят кривую Доза — Воздействие. Данные обычно получают на основе тестов на животных или из экспериментов на искусственно выращенных тканях или клетках животных.

4. Анализ экспозиции, включая исследование того, как опасное вещество или его остатки могут воздействовать на целевую группу населения и в каком количестве. Данный этап часто содержит анализ путей распространения опасностей, препятствующих барьеров и факторов, влияющих на уровень экспозиции. Например, при исследовании химических выбросов анализ экспозиции должен включать в себя: исследование того, насколько велика область распыления химических веществ, каким путем выбросы могут произойти и при каких условиях может возникнуть прямое воздействие на людей и животных, сколько химических веществ осядет на растения, каковы пути распространения ядохимикатов, попавших в грунт, могут ли эти химические вещества накапливаться в живых организмах и в грунтовых водах. Анализ экспозиции может содержать исследование паразитов, попадающих из других регионов, пути их распространения и воздействия на объекты живой природы.

5. Характеристика риска, включающая сбор и обобщение полученной информации на этапах анализа опасностей и анализа экспозиции и оценку вероятности последствий в случае совместного воздействия опасностей.

Выходные данные характеризуют уровень риска воздействия экспозиции на рассматриваемый объект конкретной опасности в имеющихся условиях. Риск может быть представлен в виде количественной, смешанной или качественной оценки. Качественная оценка риска может представлять собой отнесение риска к одному из уровней (высокому, среднему, низкому) или описание вероятного воздействия.

Пример проектирования алгоритма контроля загазованности ОВ.

Алгоритм предназначен для контроля датчиков загазованности и управления светозвуковой сигнализацией в соответствии с этими данными. Пусть входной и выходной алфавит алгоритма представлен в таблице 5.8.

Таблица 5.8

Входной алфавит алгоритма

Таблица 5.9

Выходной алфавит алгоритма

Состояние алгоритма описывается при помощи регистра ПЛК сбора сигналов измерения – bt_Stat. Тип данных регистра состояний – BYTE. Для каждой части регистра состояния возможны 3 варианта: нормальное состояние (0x01), загазованность выше предельной (0x02), загазованность выше допустимой (0x03).

При реализации указанного алгоритма возможны 2 вида различных действий, указанных в таблице 5.9. Перечень действий представлен в таблице 5.10

Таблица 5.10

Перечень действий АСКУЗ

Блок схема алгоритма контроля уровня загазованности в 4-х точках представлена на рис.5.20

В разрабатываемом алгоритме возможны 9 комбинаций регистра дискретного состояния, что обеспечивает выполнение всех необходимых действий АСКУЗ. Зависимость между состоянием алгоритма выполняемым действием представлена в таблице 5.11.

Таблица 5.11

Функции выходов

Рис. 5.20. Блок-схема алгоритма контроля уровня загазованности

Принципиальная схема АСКУЗ приведена на рис. 5.21, схема внешней проводки на рис. 5.22.

. Рис. 5.21. Принципиальная схема АСКУЗ

Рис. 5.22..Схема внешней проводки АСКУЗ

Контрольные вопросы

1. Какие нормативные документы используются при проектировании системы контроля токсичной, пожарной и взрывоопасной загазованности?

2. Объяснить принцип работы оптических и термокаталитических датчиков ПДК.

3. Перечислить основные этапы проектирования АСКУЗ.

4. Почему используется двухуровневый контроль ПДК?

5. Где устанавливаются датчики АСКУЗ на промысловых технологических площадках НГО?