Методы и приборные средства безопасной транспортировки и хранения энергоносителей

1.

Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский
государственный университет аэрокосмического приборостроения"
Методы и приборные средства безопасной
транспортировки и хранения энергоносителей
05.02.22– Организация производства (по отраслям)
Соискатель учёной степени
кандидата технических наук:
Научный руководитель:
Ли Шунь Минь
доктор технических наук, профессор
Коршунов Геннадий Иванович
Санкт-Петербург , 2017

2.

Актуальность темы исследования
Организация
производственных
и
вспомогательных
процессов
транспортировки и хранения энергоносителей являются актуальной темой
исследований, в том числе в области обеспечения безопасности данных
процессов. Кроме этого актуальность темы исследований подчеркивается в
программе энергетической стратегии России на период до 2030 года, в
которой одной из основных принципов в сфере энергетической безопасности
является обеспечение надежного функционирования и предсказуемого
развития энергетической инфраструктуры (глава V «Государственная
энергетическая политика»).
В связи с этим возникает необходимость разработки методов и средств
безопасной транспортировки и хранения энергоносителей с целью
уменьшения потерь энергоресурсов и обеспечения безопасности данных
процессов.
2

3.

Цель исследования
• Совершенствование производственно-технических систем и
приборов на основе разработки моделей, методов и критериев
оценки надежности и безопасности процессов транспортировки
и хранения энергоносителей.
Объект исследования
• Производственно-техническая
энергоносителей.
система
транспортировки
Предмет исследования
• Критерии, методы и модели организационно-технологической
надежности процесса транспортировки энергоносителей.
3

4.

Задачи исследования:
1.
Предложить
модель
управления
рисками
процесса
транспортировки энергоносителей с учетом применения
автоматизированной производственно-технической системы и
приборов.
2. На основе анализа рисков, исследования процессов
транспортировки энергоносителей и их формализации разработать
критерий и математическую модель надежности трубопроводных
систем
и
компонентов
в
процессе
транспортировки
энергоносителей в условиях внезапной нагрузки давления;
3. Разработать методику оценки надежности трубопроводных
систем и
компонентов в процессе транспортировки
энергоносителей в условиях внезапной нагрузки давления;
4. Разработать методику построения зоны опасности относительно
заданного потенциально-опасного объекта для хранения
энергоносителей для корректного применения сенсоров и приборов
контроля.
4

5.

На защиту выносятся:
1. Модель управления рисками процесса транспортировки
энергоносителей с учетом применения автоматизированной
производственно-технической системы и приборов с элементами
концепции «Индустрия 4.0».
2. Критерий и математическая модель надежности трубопроводных
систем и
компонентов в процессе транспортировки
энергоносителей в условиях внезапной нагрузки давления.
3. Методика оценки надежности трубопроводных систем и
компонентов в процессе транспортировки энергоносителей в
условиях внезапной нагрузки давления для их корректного
приборного мониторинга.
4. Методика построения зоны опасности относительно заданного
потенциально-опасного объекта для хранения энергоносителей для
корректного применением сенсоров и приборов контроля.
5. Методика и алгоритм оценки надежности шарового крана в
быстроразъемном устройстве наливной системы танкера.
5

6.

Научная новизна работы
1. Предложена новая модель управления рисками процесса
транспортировки
энергоносителей
с
учетом
применения
автоматизированной производственно-технической системы и приборов с
элементами концепции «Индустрия 4.0».
2. Впервые разработаны критерий и математическая модель надежности
трубопроводных систем и компонентов в процессе транспортировки
энергоносителей в условиях внезапной нагрузки давления.
3. Разработана новая методика оценки надежности трубопроводных
систем и компонентов в процессе транспортировки энергоносителей в
условиях внезапной нагрузки давления для их корректного приборного
мониторинга.
4. Разработана методика построения зоны опасности относительно
заданного потенциально-опасного объекта для хранения энергоносителей
для корректного применением сенсоров и приборов контроля.
5. Разработаны методика и алгоритм оценки надежности шарового крана в
быстроразъемном устройстве наливной системы танкера.
6

7.

Логика работы:
1. Исследование организации
производственно-технической системы
транспортировки энергоносителей в
условиях технических рисков
2. Критерии и показатели надежности
трубопроводных систем и
компонентов в процессе
транспортировки энергоносителей в
условиях внезапной нагрузки давления
3. Разработка построения зоны
опасности относительно заданного
потенциально-опасного объекта для
хранения энергоносителей
Анализ процессов транспортировки энергоносителей
Особенности транспортировки энергоносителей в условиях
технических и экологических рисков
Модель управления рисками процесса транспортировки энергоносителей
с учетом применения автоматизированной производственнотехнической системы с элементами концепции «Индустрия 4.0»
Критерий надежности трубопроводных систем и компонентов в процессе
транспортировки энергоносителей в условиях внезапной нагрузки давления
Математическая модель надежности трубопроводных систем и
компонентов в процессе транспортировки энергоносителей
в условиях внезапной нагрузки давления
Методика оценки надежности трубопроводных систем и компонентов в
процессе транспортировки энергоносителей в условиях
внезапной нагрузки давления
Определении частных зон опасного действия по каждому
поражающему фактору
Минимально-допустимое удаление границы по термическому
воздействию
Математическая модель построения зоны опасности относительно
заданного потенциально-опасного объекта для хранения
энергоносителей
Определение зоны опасности относительно заданного объекта
4. Оценка надежности компонента
трубопроводной системы в процессе
транспортировки энергоносителей
Применение методики оценки надежности шарового крана в
быстроразъемном устройстве наливной системы танкера
Алгоритм оценки надежности шарового крана в быстроразъемном
устройстве наливной системы танкера
Результаты расчета показателя надежности и ожидаемой
надёжность шарового крана в быстроразъемном устройстве наливной
системы танкера
7

8.

Основные функции автоматизированной производственнотехнической системы транспортировки энергоносителей
Автоматизированная система выполняет следующие основные
функции:
– транспортировка энергоносителей с заданными режимами;
– учет энергоносителей на основании информации от
измерительных систем в резервуарах и хранилищах;
– управление насосным оборудованием;
– управление и контроль запорной арматурой;
– мониторинг работы всех элементов системы управления;
– хранение информации об ошибках в работе системы
управления;
– непрерывный контроль уровня температуры, давления,
загазованности и других параметров.
8

9.

Структура автоматизированного управления производственнотехнической системы транспортировки энергоносителей
9

10.

Таблица 1 – Фрагмент результатов оценки рисков по методу FMEA
Модель управления рисками процесса транспортировки энергоносителей с
учетом применения автоматизированной производственно-технической
системы и приборов с элементами концепции «Индустрия 4.0» (п.1 слайд 5)
Процесс
Подготовительные
работы по переливу
энергоносителей.
Вид потенциального дефекта
Последствия потенциального
дефекта
Сбои программного обеспечения
Балл S
Балл O
Увеличение сроков
подготовительных работ
3
Высокая нагрузка на
процессор
2
Перезагрузка системы
2
12
Нарушение коммутационных
каналов автоматизированной
системы
Увеличение сроков
подготовительных работ
3
Халатное отношение к
эксплуатации
3
Ремонт/замена
3
27
Отказ электрооборудования
Увеличение сроков
подготовительных работ
3
Износ оборудования
3
Ремонт/замена
1
9
4
Халатность персонала
3
1
12
3
27
Срыв сроков подготовительных
Нарушение условий поставки
работ
Транспортировка нефти
из транспорта в
трубопроводную
систему;
Установление норм
запаса времени
Детальные исследования
и анализ климатических
условий
Природные катаклизмы
Увеличение сроков
подготовительных работ
3
Погодные условия
3
Выход из строя ПЛК
Аварийная остановка
процесса
4
Износ, повреждение в
процессе эксплуатации
2
Ремонт/замена
1
8
Выход из строя датчиков и
контрольно-измерительных
приборов системы
Аварийная остановка
процесса
4
Износ, повреждение в
процессе эксплуатации
2
Ремонт/замена
1
8
5
Помехи
3
Диагностика/Калибровка
3
45
2
Перезагрузка системы
1
6
2
Ремонт/замена
7
70
Ошибки в передаче данных на
пульт оператора
Зависание программного
обеспечения
Низкая надежность
трубопроводов
Заполнение
резервуаров
хранилища.
Предложенные меры по
обнаружению
Балл D ПЧР
(управлению,
устранению) дефекта
Потенциальная причина
дефекта
Нарушение режимов работы
процесса перелива
Аварийная остановка
процесса
3
Высокая нагрузка на
систему
Дефект
поставщика
Утечка нефтепродуктов
5
Пожары
Человеческие, финансовые и
материальные убытки
10
Халатность персонала
1
Повышение
пожаробезопасности
2
20
Выход из строя датчиков и
контрольно-измерительных
приборов системы
Аварийная остановка
процесса
4
Износ, повреждение в
процессе эксплуатации
2
Ремонт/замена
1
8
Потери от насыщения газового
пространства при хранении
Уменьшение объема запасов
нефти
5
2
20
Обратный выдох при хранении
Взрыв
10
2
40
Утечка
Воспламенение
8
4
64
10
Нарушение технологии
хранения
Нарушение технологии
хранения
Износ, повреждение в
процессе эксплуатации
2
2
2
Соблюдение технологии
хранения
Соблюдение технологии
хранения
Постоянный мониторинг
параметров системы

11.

Критерий и математическая модель надежности
трубопроводных систем и компонентов в процессе
транспортировки энергоносителей в условиях
внезапной нагрузки давления (п.2 слайд 5)
Надежность всей системы (Rs), будет зависеть от надежности
ее компонентов и их влиянии на работу данной системы:
– надежность наливной подсистемы (Rt);
– надежность подсистемы забора/утилизации (Rz);
– надежность подсистемы наблюдения гидроотсека (Rn).
(1)
Rs Rt Rz Rn
11

12.

Разработка математической модели
Анализ процессов транспортировки
энергоносителей
Критерий надежности трубопроводных систем и
компонентов в процессе транспортировки
энергоносителей
Определение надежности производственнотехнической системы
Определение надежности элементов
производственно-технической системы
Математическая модель надежности трубопроводных систем
и компонентов в процессе транспортировки энергоносителей
в условиях внезапной нагрузки давления
12

13.

Разработка математической модели надежности трубопроводных систем и
компонентов в процессе транспортировки энергоносителей в условиях
внезапной нагрузки давления (п.2 слайд 5)
Уравнение состояния для предельного состояния
(2)
(3)
g( X ) r
r – прочность материалов;
σ – напряжение;
X – вектор случайной величины.
g ( X ) 0, состояние отказа
g ( X ) 0, состояние работоспособности
g
E g ( X )
g
Var g ( X )
(4)
(5)
R ( )
μg и σg – средняя величина и стандартное
отклонение функции состояния
ф – стандартная нормальная функция распределения
(6) g( X , t ) r (t ) ( Y , t )
(7)
g( t )
(t )
g( t )
(8)
R(t )
(t )
r(t) – случайный процесс деградации прочности,
σ(Y t – случайный процесс нагрузки,
Y– вектор случайной величины, связанный с
эффектом действия нагрузки.
E
g( X , t )
Var
g( X , t )
P r (t ) ( Y , t
) t
0, t
13

14.

Методика оценки надежности трубопроводных систем и компонентов в
процессе транспортировки энергоносителей в условиях внезапной нагрузки
давления (п.3 слайд 5)
(9)
(10)
g ( X , t ) min r ( X , t )
внешняя нагрузка является постоянной
F ( x) P 1 max
i n Si x P S1 x P S 2 x ...P S n x
in 1 P Si x F ( x)
n
нагрузка изменяется в зависимости от времени
Пусть случайные величины X(X1,X2,…,Xn) подчиняются нормальному распределению
N μ σ2), функция распределение:
(11)
Fx( x )
1
2
x
( Z )2
exp
2
2
dZ
Zn является максимальной величиной в случайных величинах X1 X2,…, Xn, поэтому
максимальной величиной X-μ /σ является A=(Zn-μ)/σ, и функция распределения
принимает вид
(12)
Z
Z
a'
FZ FA
exp exp a ' n
u ' n exp exp Z u ' n
2
n
2
(15) R(t ) P r max ( Y , t
) t
0, T
14

15.

Методика оценки надежности трубопроводных систем и компонентов в
процессе транспортировки энергоносителей в условиях внезапной нагрузки
давления (п.3 слайд 5)
Остаточная модель прочности имеет вид:
(23) r ( n) r 0 r 0 SP ( n / N )c
где r0 – начальная прочность;
SP – пик нагрузки во времени разрушения;
n/N – отношение продолжительности;
c – показатель.
i 1 , i , i 1, 2, . . . , n
Пусть σ(Smax) является максимальным эквивалентным эффектом, тогда
Рассмотрим пик нагрузки во время разрушения в период
(24) r ( n ) r 0 r 0 ( Smax ) t / T
c
где ri – остаточная прочность трубопровода в t i.
При действии переменной случайной нагрузки функция трубопровода будет выражена как:
(25)
1
1 n
g( x , t ) r (t ) ( Y , t )
l n i 1 exp an
a
t
c
t
r 0 r 0 ( Smax ) ( Smax )
T
Применяя (25) в (7) и (8), можно получить динамический коэффициент надежности и
соответствующую динамическую надежность.
15

16.

Методика построения зоны опасности относительно заданного потенциальноопасного объекта для хранения энергоносителей(п.4 слайд 5)
Методика построения зоны опасности относительно заданного ПОО заключается в
определении частных зон опасного действия по каждому поражающему фактору с
последующим их объединением:
(27)
n nуд.в.
nтерм.
nхим.
nрад.
мех.
n
где n– объединённая область точек, принадлежащих зоне опасности n-го ПОО;
мех.
nуд.в. , nтерм. , nхим. , рад.
,
области точек, принадлежащих зонам опасного
n
n –
действия ударной волны, термического действия пожаров, токсического воздействия
отравляющих химических и биологических веществ, радиационного воздействия
радиоактивных веществ и механического действия осколков (элементов конструкций) при
развитии ЧС на n-ом ПОО.
Из найденных значений минимально-допустимых удалений выбирается максимальное
значение, с помощью которого определяется местоположение границы зоны опасности для
заданного полярного угла системы координат объекта:
(28) R( ) max{R уд.в. , R терм. ( ), R хим. ( ), Rрад. ( ), Rмех.}
где R(φ) - удаление от центра объекта границы опасной зоны для заданного полярного
угла в принятой системе координат объекта;
Rуд.в , Rтерм.(φ), Rхим(φ) , Rрад(φ) , Rмех - минимально-допустимые для заданного
полярного угла удаления границы опасных зон, по известным поражающим факторам, от
центра рассматриваемого объекта.
16

17.

Методика построения зоны опасности относительно заданного потенциальноопасного объекта для хранения энергоносителей (п.4 слайд 5)
Выражение для определения границы опасной зоны персонала и транспортных
средств при горении промышленных объектов и зданий имеет вид:
гр.
(30) RПр.Об.
0,282R * q соб. q кр. ,
(31)
w
L
l h для горящих зданий,
1,75 2,0 l h для горящего штабеля пиломатериалов,
R*
рез.
D , для горящего резервуара с горючими газами,
рез.
8D , для горящего резервуара с жидкими нефтепродуктами,
гр.
RПр.Об.
- удаление от центра ПОО границы опасной
зоны по критической степени поражения персонала и
транспортных средств при горении промышленных
объектов и строений;
R* - приведенный размер очага горения;
l- длина объекта горения;
ϑ
h - высота объекта горения;
Dрез.- диаметр резервуара для хранения газообразных
и жидких углеводородных горючих веществ;
r
R
17

18.

Методика и алгоритм оценки надежности шарового крана в
быстроразъемном устройстве наливной системы танкера (п.5 слайд 5)
Исходные данные для апробации методики и алгоритма оценки надежности шарового
крана в быстроразъемном устройстве (БРУ) наливной системы танкера:
– диаметр трубы D = 485 мм;
– начальная твердость материалов r0= 686.9 35.8 MPa;
–количество циклов работы N≥4000;
– время работы 1000 ч.
Напряжение кручения для круглого и
трубчатого сечения
16DT
(34) ( X, t )
D4 d 4
где Т- момент кручения,
D-диаметр сечения,
d-внутренний диаметр трубчатого
сечения (для круглого сечения d=0).
1 — кран шаровый; D — диаметр трубы
18

19.

Методика и алгоритм оценки надежности шарового крана в
быстроразъемном устройстве наливной системы танкера (п.5 слайд 5)
Уравнение состояния:
(35) g( X , t ) r ( X , t ) ( X , t )
где r- твердость материла,
X - вектор случайной переменой.
В результате расчета показателя надежности и ожидаемой надёжность без учета
изменения твердости относительно времени, получены значения β=3.0865 и
R=0.998998.
С учётом зависимости твёрдости и нагрузки от времени, в первом случае, когда
внешняя нагрузка является постоянной нагрузкой и подчиняется определенному
распределению, β=1.86248 R=0.967986. Во втором случае, когда нагрузка изменяется
в зависимости от времени, и не подчиняется распределению, β=1.68625 R=0.984629.
19

20.

Основные результаты и выводы:
1. Разработана модель управления рисками процесса транспортировки энергоносителей с учетом применения
автоматизированной производственно-технической системы и приборов с элементами концепции «Индустрия 4.0».
2. На основе анализа процессов транспортировки энергоносителей определен критерий и разработана
математическая модель надежности трубопроводных систем и компонентов в процессе транспортировки
энергоносителей в условиях внезапной нагрузки давления. Представлены оценки критерия надежности и
динамической надежности. Описаны отношения прочности, нагрузки, надежности компонентов с изменением
времени для поддержки принятия решений.
3. Исходя из тенденции постоянного совершенствования систем транспортировки энергоносителей рассмотрены
вопросы обеспечения надежности всей производственно-технической системы транспортировки, и наливной
подсистемы в частности, выбора сенсоров и приборов контроля. Разработана методика оценки надежности
трубопроводных систем и компонентов в процессе транспортировки энергоносителей в условиях внезапной
нагрузки давления для обеспечения их мониторинга с помощью приборов контроля.
4. Разработана методика построения зоны опасности относительно заданного потенциально-опасного объекта, с
целью обеспечения безопасности персонала и материально-технической базы на промышленных объектах,
используемых для хранения энергоносителей.
Рассмотрены и формализованы основные поражающие факторы, учитываемые при построении зон опасности и
выборе приборов на промышленных объектах. Приведены расчеты минимально-допустимого удаления границы по
термическому воздействию для различных видов пожара (разлития, типа «огненного шара», горение зданий и
промышленных объектов).
5. На основе разработанной математической модели была апробирована методика оценки надежности
трубопроводных систем и компонентов в условиях внезапной нагрузки давления.
Выполненная модернизация наливной подсистемы позволила повысить надежность как самой наливной
подсистемы, так и всей производственно-технической системы транспортирования. В связи с этим были получены
следующие результаты:
- повышение надежности наливной системы на 11%;
- повышение надежности всей системы на 9%;
6. Результаты диссертационной работы использованы в деятельности компании «Shanghai Xi Sheng Industrial Co.
Ltd.» (Китай) и ООО «Российские мониторинговые системы», что подтверждается актами внедрения.
20

21.

Практическая значимость исследования
21

22.

Основное содержание диссертации изложено в следующих журналах:
Статьи в рецензируемых научных журналах:
1. Коршунов, Г.И. Сокращение времени производственного цикла морской транспортировки
нефти на основе внедрения методов менеджмента и технологических инноваций / Г.И.Коршунов,
Ли Шунь Минь // Информационно-управляющие системы. №5(66), СПб.: ГУАП, 2013., с.86-92.
2. Коршунов, Г.И. Система управления и отображения информации для обеспечения безопасной
перегрузки жидких углеводородов при морской транспортировке / Г.И.Коршунов, Ли Шунь
Минь // Вопросы радиоэлектроники, Серия СОИУ, Выпуск 1, Изд-во: Электроника, Москва,
2015, с.94-104.
3. Коршунов, Г.И. Надежность трубопроводных систем для объектов повышенной опасности в
условиях динамических нагрузок / Г.И.Коршунов, Ли Шунь Минь // Вопросы
радиоэлектроники, Выпуск 6, Изд-во: Электроника, Москва, 2016, с.14-18.
4. G I Korshunov, S L Polyakov, Li Shunmin Assurance of reliability and safety in liquid hydrocarbons
marine transportation and storing. IOP: Earth and Environmental Science (SCOPUS). 2017.
5. Коршунов, Г.И. Обеспечение безопасности процесса хранения углеводородных горючих
веществ на промышленных объектах / Г.И.Коршунов, Ли Шунь Минь, С.Л. Поляков // Вопросы
радиоэлектроники, Выпуск 5, Изд-во: Электроника, Москва, 2017, с.20-24.
Научные работы в других изданиях:
6. Коршунов, Г.И. Организация эффективного контрактного производства на основе технологических
инноваций / Г.И. Коршунов, Ли Шунь Минь, С.Л. Поляков // Научная сессия ГУАП: cб. докл.: В 3 ч. Ч.
I. Технические науки / СПб.: ГУАП, 2012. - 246с., с.166-168.
7. Коршунов, Г.И. Модели, методы и технологические инновации для организации морской
транспортировки нефти / Г.И. Коршунов, Ли Шунь Минь // Научная сессия ГУАП: cб. докл.: В 3 ч. /
СПб.: ГУАП, 2013.
22

23.

Спасибо
за
внимание
23