Анализ аварийных ситуаций на производственных объектах нефтегазовой отрасли показал, что трубчатая нагревательная печь является одним из опасных объектов [3]. Данные Академии государственной противопожарной службы МЧС России за временной промежуток с 2007 по 2016 г. показывают, что 11,6 % всех аварий на производственных объектах нефтегазовой отрасли приходится на трубчатые нагревательные печи [2].
Применение виртуальной модели трубчатой нагревательной печи позволяет многократно воспроизводить различные режимы работы, условия, не затрачивая при этом ресурсов настоящего оборудования и не подвергая опасности персонал и печи [7].
Для подготовки персонала на производстве наиболее эффективно использовать интерактивные современные технологии обучения, в частности виртуальные симуляторы [5], более того, применение такого рода симуляторов обязательно для большинства промышленных предприятий [1].
Цель данной работы – моделирование аварийной ситуации повышения температуры в топочном пространстве при прогаре змеевика в трубчатой нагревательной печи для закрепления навыков и действий персонала в нештатных ситуациях. Для этого предлагаются решения следующих задач:
– разработка графических элементов тренажера, визуальных подсказок [6];
– наглядное представление прогара змеевика и пожара в виртуальной среде;
– выявление причин возникновения нештатной ситуации – повышения температуры в топочном пространстве печи при прогаре змеевика;
– описание методов и способов устранения неполадок, аварийных ситуаций.
Рис. 1. Код аварийной ситуации прогара змеевика трубчатой печи
Рис. 2. Код аварийной ситуации
Для реализации виртуального тренажера за основу был взят реальный производственный объект – печь подогрева бензольной шихты производства этилбензола, стирола. При разработке интерфейса тренажера использовались мнемосхемы реальных объектов (трубчатые печи производства углеводородной шихты) для большей наглядности при обучении операторов. Основу интерфейса составляет графический экран с набором элементов, составляющих мнемосхему (клапаны, печи, трубопроводы, показания с виртуальных датчиков) [4]. Также был произведен сбор необходимых данных: техническая документация установки, нормы технологического процесса, характеристики объекта и оборудования.
Повышение температуры в топочном пространстве трубчатой нагревательной печи выше 835 °C согласно технологическому регламенту реального объекта вызвано прогаром трубчатого змеевика и утечкой углеводородной шихты в топочное пространство. Это одна из опаснейших аварийных ситуаций, способная привести к возгоранию нагреваемого продукта и взрыву [8]. В коде аварийной ситуации фигурирует переменная «progar», принимающая значения 0 и 1 (рис. 1). Данная переменная определяет, в какой именно печи прогорела труба змеевика: если значение 0, то прогар в печи П-011А, если значение 1 – прогар в печи П-011B.
В случае возникновения данной аварийной ситуации запускается «аварийный» таймер, увеличивающий значения температуры в топках той печи, в которой произошел прогар (в зависимости от значений переменной «progar»). Код «аварийного» таймера представлен на рис. 2.
Рис. 3. Рабочие окна регулятора расхода
Для устранения аварийной ситуации и ее последствий необходимо провести ряд мероприятий: прекратить подачу шихты, алкилата, природного газа на горелки печей, подать в топочное пространство печей водяной пар через электрозадвижки. Для того, чтобы прекратить подачу продукта, топлива необходимо открыть рабочее окно соответствующих регуляторов и обнулить значение расхода в задании, после чего значение расхода уменьшится до нуля и подача среды прекратится. На рис. 3 представлено рабочее окно подобного регулятора (до и после прекращения подачи шихты).
Рис. 4. Рабочее окно отсечного клапана и код его реализации в программе
Рис. 5. Аварийная ситуация повышения температуры в топочном пространстве при прогаре змеевика в трубчатой печи
Затем необходимо выполнить те же самые действия в отношении других регуляторов расхода и отсечных клапанов. Отсечные клапаны становятся активными для оператора после того, как будет прекращена подача шихты и топливного газа. После этого отсекаются трубопроводы, несущие холодную и горячую шихту в реактор, затем открываются клапаны на трубопроводы с алкилатом, горячей и холодной шихтой, уводящие остатки продукта в блоке печей на факел. Вид отсечных клапанов и их код представлен на рис. 4.
На рис. 4 представлен код запуска рабочего окна отсечного клапана, через который в случае аварии алкилат уходит на факел. В коде используется условие, проверяющее, перекрыта ли подача шихты и топлива, закрыты ли отсечные клапаны на горячую и холодную шихту. Если условие выполняется, то открывается рабочее окно отсечного клапана, в котором становится доступной кнопка, нажатие на которую открывает данную арматуру, присваивая переменной «open1» значение, равное 1. Подобные переменные («open1», «open2», «open3» и т.д.) затем используются в условиях в коде других отсечных клапанов, которые становятся доступными для оператора только после открытия (закрытия) предыдущих.
После перекрытия подачи опасных сред в печи необходимо нажать на соответствующий значок электрозадвижки и подать пар в топочное пространство, после чего при условии правильного порядка действий появится сообщение об успешном устранении неполадок.
После написания кода программы проводится тестирование и отладка, в результате чего найденные ошибки в коде исправляются. Также на данном этапе проверяются всевозможные сценарии взаимодействия пользователя с виртуальным тренажером, чтобы исключить ситуации, когда программа не может найти решения из-за некорректного использования [9, 10].
Пример аварийной ситуации повышения температуры в топочном пространстве при прогаре змеевика в трубчатой печи изображен на рис. 5.
Выводы
Данный тренажер позволяет обучать сотрудников предприятий нефтегазовой отрасли правильному и безопасному обслуживанию трубчатых нагревательных печей. Имеется множество сценариев, приводящих к тем или иным нештатным событиям, применимых для производственных ситуаций: запуск печи, остановка печи, поддержание рабочего режима печи, обнаружение и устранение неисправности в работе печи. Тренажеры помогают обучать операторов правильно действовать в условиях повышенной стрессовой обстановки и опасности. Внедрение данного виртуального тренажера на предприятиях нефтегазовой отрасли позволит снизить риск нештатных ситуаций.