На правах рукописи

Гиниятов Ильнур Гумарович

РАЗРАБОТКА ТРЕНАЖЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТАХ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2009

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете на кафедре Пожарная и промышленная безопасность.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамилевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Байков Игорь Равильевич;

кандидат технических наук, доцент

Насыров Рашит Вильевич

Ведущая организация ООО РН-УфаНИПИнефть.

Защита состоится л25 сентября 2009 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан л25 августа 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

Актуальность темы

В настоящее время нефтегазовый комплекс представляет собой наиболее динамично развивающуюся отрасль не только в России, но и во всем мире. Разрабатываются новые месторождения нефти и газа, строятся новые и реконструируются существующие трубопроводные системы, перерабатывающие заводы, внедряется новое оборудование. При этом все более жесткими становятся требования к пожарной и промышленной безопасности всех технологических процессов (ТП). В существующих условиях велико значение так называемого человеческого фактора и соответственно качества профессиональной подготовки оперативного и диспетчерского персонала. Именно операторы и диспетчеры в случае возникновения аварийной ситуации должны в максимально короткое время уметь найти правильное решение. От профессионализма операторов и диспетчеров зависит не только пожарная и промышленная безопасность, сохранность дорогостоящего технологического оборудования, но и жизни людей.

В процессе обучения оперативного и диспетчерского персонала применяются различные компьютерные обучающие системы. Для получения навыков безопасного управления технологическим процессом, эффективными средствами обучения являются компьютерные задачники, лабораторные практикумы и, в большей степени, компьютерные тренажеры. Именно тренажеры дают операторам и диспетчерам процедуральные знания, т.е. знания о том, как организована практическая деятельность, в отличие от декларированного знания об объекте, содержащегося в компьютерных справочниках, учебниках, системах контроля знаний и т.д.

Работам в области повышения уровня промышленной безопасности нефтегазовых объектов с использованием информационно-аналитических и компьютерных систем посвящены научные труды авторов: С.М. Вайнштока, В.В. Грачева, Л.И. Григорьева, М.А. Гусейнзаде, В.М. Дозорцева, О.М. Иванцова, С.Е.Кутукова, М.В. Лурье, И.И. Мазура, Р.Т. Файзуллина и др. Эффективность использования тренажеров для профессиональной подготовки персонала рассматривались в работах В.В. Вершинина, Ю.З. Гильбуха, Ф.Д.Лыскова, Б.Л. Омельяненко и др.

Усложнение технологий производства и систем управления технологическими процессами (далее ТП), статистика аварийности, огромный промышленный и экологический риск при управлении объектами нефтегазового комплекса, значительный вес ошибок операторского управления ТП в общем числе причин аварий определяют актуальность разработки и внедрения компьютерных тренажеров для обучения операторов и диспетчеров ТП.

Современные информационные технологии создают качественно новую ситуацию в компьютерной поддержке системы промышленной безопасности. Новым перспективным направлением развития информационных технологий обеспечения промышленной безопасности является соединение в одном программно-техническом комплексе возможностей тренажеров для операторов технологических процессов и программ анализа потенциальных опасностей. Такое соединение позволит поднять всю систему промышленной безопасности на качественно новый научно-технический уровень и даст возможность при создании паспорта риска предприятия решать вопрос о базисном типе возможной аварии (место возникновения, причины, ожидаемые последствия, возможность ликвидации своими силами), используя весьма точные модели технологических процессов и систем управления.

В связи с этим тематика исследований, затрагивающих вопросы разработки тренажеров для наиболее эффективного обучения оперативного персонала и повышения уровня промышленной безопасности предприятий нефтегазового сектора, является актуальной.

Цель работы

Целью работы является разработка общих принципов построения программно-технических тренажерных комплексов, а также методического и программного обеспечения для обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов.

Задачи исследования

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих тренажерных систем, тенденций их развития и общих составляющих программно-технических тренажерных комплексов.
2. Разработка концептуальной модели процесса обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов на основе программно-технических тренажерных комплексов.
3. Разработка метода обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов на основе программно-технических тренажерных комплексов.
4. Разработка программно-технического тренажерного комплекса для обучения деятельности по обеспечению промышленной безопасности при управлении объектами транспорта нефти и нефтепродуктов в штатных и нештатных ситуациях.
5. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенных методов.

Методы решения поставленных задач

В основе проводимых в диссертационной работе исследований используются методы системного анализа, математического моделирования, ситуационного и автоматизированного компьютерного обучения, теория баз данных и методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

Научная новизна и теоретическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

1. Выполнена полукачественная идентификация технологических процессов возникающих при транспортировании нефти и нефтепродуктов по трубопроводам путем построения имитационных феноменологических математических моделей и их аналитического исследования. Построение указанных моделей основано на декомпозиции объекта на составляющие (подсистемы): технологического процесса, системы управления, системы отображения, имитатора аварийных ситуаций и базы данных настроечных параметров. На основании полученных решений установлены и определены аналитические зависимости изменения технологических параметров моделируемого участка трубопроводов, что позволило создать тренажерные комплексы максимально соответствующие реальным технологическим объектам.
2. Выполнено численное решение научной задачи связанное с построением и исследованием устойчивости и адекватности математических моделей трубопроводов для тренажерных комплексов. Разработаны имитационные математические модели технологического процесса транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам с использованием двух различных методов расчета. Для вывода систем уравнений моделируемых участков трубопроводов в первом варианте использованы теорема количества движения, закон сохранения массы и уравнения состояния, во втором варианте использованы гидравлические аналоги 1-го и 2-го законов Кирхгофа. На основании исследования этих вариантов моделей определено, что установленным критериям устойчивости и адекватности моделирования соответствует первый вариант математической модели.
3. Предложена и экспериментально доказана концепция снижения риска аварийности и травматизма в нефтегазовой отрасли на основе обучения операторов и диспетчеров деятельности по обеспечению промышленной безопасности при управлении в штатных и нештатных ситуациях. Сущность концепции состоит в том, что при обучении оперативного и диспетчерского персонала с применением разработанного тренажерного комплекса обучаемым прививаются умения по распознаванию ситуаций и моторные навыки управления технологическими процессами, что приводит к повышению надежности операторской деятельности, снижению риска аварийности и травматизма. Применение методов обучения, основанных на данной концепции, позволяет сократить время выполнения действий обучаемых в аварийных ситуациях в среднем в 2 раза, вероятность выполнения ошибочных действий сокращается в 3Ц8 раз.

Практическая ценность

Практическая ценность исследования состоит в том, что существенно сокращаются сроки подготовки операторов; позволяют им выработать приёмы упреждения ситуаций, уменьшение времени ликвидации и парирования ситуаций; удобство обучения и непрерывность подготовки.

Разработанный тренажерный комплекс и метод обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти и нефтепродуктов внедрены и успешно используются в системе внутрифирменного профессионального образования ОАО АК Транснефть. Разработанный тренажерный комплекс так же используется при проведении ежегодных конкурсов Лучший по профессии среди операторов НПС в ОАО АК Транснефть в период с 2004 г. по настоящее время. Практическое использование разработанных тренажерных комплексов и методик обучения подтверждено актами внедрения.

Основные защищаемые положения

На защиту выносится:

1. Метод проектирования и разработки тренажерных комплексов для обучения оперативного и диспетчерского персонала.
2. Феноменологическая математическая модель технологического процесса транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, реализующая моделирование основных и вспомогательных параметров работы технологического участка.
3. Метод обучения оперативного и диспетчерского персонала с применением разработанного тренажерного комплекса действиям в штатных и нештатных ситуациях

Апробация работы

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались в рамках V Конгрессаа нефтегазопромышленников России на конференции Метрология, автоматизация, связь в нефтегазовом комплексе (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 19 мая 2004 г.), и в рамках V Конгресса нефтегазопромышленников России на конференции Автоматизация и метрология в нефтегазовом комплексе (г. Уфа, Большой зал Федерации профсоюзов Республики Башкортостан, 25 мая 2005 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, отражающих основные результаты работы, три из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки Российской Федерации, получено два свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (123 наименования) и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 138 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.

Общее содержание работы

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы; сформулированы цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу тенденций развития и проблематики прикладных информационных технологий. В результате установлено, что одной из наиболее актуальных областей повышения промышленной безопасности является создание автоматизированных обучающих систем и тренажерных комплексов для подготовки персонала по работе в штатных и нештатных ситуациях.

Анализ данных по отказам, вызвавших аварийные остановки НПС за 2002-2004 гг., показал, что аварийность на объектах ОАО АК Транснефть по вине оперативного и диспетчерского персонала составляет 9,1%, что главным образом обусловлено отсутствием готовности к работе в сложных штатных и нештатных ситуациях (рисунок 1).

В настоящее время для опасных производств в соответствии с Общими правилами взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09-540-03) использование тренажеров для обучения является обязательным. Однако экономическая ситуация часто не позволяет руководителям многих предприятий использовать в процессе подготовки персонала тренажерные комплексы.

Рисунок 1 - Распределение отказов по видам в ОАО АК Транснефть за 2002-2004гг.

Проведен сравнительный анализ некоторых существующих тренажерных комплексов для обучения оперативного и диспетчерского персонала объектов транспорта нефти. Установлено, что декомпозиция процесса управления на типовые этапы: распознавание ситуации, принятие решения, выбор управляющего воздействия, контроль эффективности собственных действий в нештатных ситуациях позволяет решать задачу подготовки операторов с использованием специальных тренажеров.

На основании проведенного исследования, а также анализа задач, решаемых существующими тренажерами, были сформулированы требования к тренажерной системе по подготовке диспетчерского и оперативного персонала по обеспечению промышленной безопасности при управлении объектами транспорта нефти и нефтепродуктов в штатных и нештатных ситуациях. Такая система должна обеспечивать: