XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

ВВЕДЕНИЕ

Факельная система (ФС) — важный элемент УКПН, предназначенный для безопасного сжигания попутного нефтяного газа (ПНГ) и аварийных выбросов [1]. Основные задачи системы мониторинга [2]:

1. Контроль давления и расхода в факельной линии.

2. Мониторинг состава газа и температуры факела.

3. Предотвращение попадания жидкости в факел.

4. Обеспечение беспламенного сжигания в штатном режиме.

Цель работы — разработка системы мониторинга, обеспечивающей непрерывный контроль и повышение надёжности ФС УКПН.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Назначение, принципы работы и классификация факельных систем в нефтегазовой отрасли

Факельная система (ФС) – это обязательный элемент безопасности любого технологического объекта нефтегазодобычи и переработки, предназначенный для организованного, безопасного и экологически приемлемого сжигания избыточных и аварийных выбросов горючих газов и паров [2].

Основные функции факельной системы:

1. Защитная (основная): Сжигание газов при:

• Аварийных сбросах (срабатывание предохранительных клапанов на аппаратах, разрывные мембраны).

• Плановых пусках, остановах и переключениях оборудования.

• Сбоях в работе технологических установок (компрессоров, сепараторов, ректификационных колонн).

2. Технологическая: Обеспечение непрерывности основного процесса за счет отвода излишков газа.

3. Экологическая: Минимизация вредного воздействия за счет обеспечения максимально полного сгорания, что превращает углеводороды (СН) в менее вредные диоксид углерода (СО₂) и водяной пар (Н₂О) [3, 4].

1.2 Описание технологической схемы процесса и ключевых контролируемых параметров

Процесс безопасного факельного сжигания — это не просто поджог газа. Это управляемый химико-гидродинамический процесс, эффективность которого зависит от поддержания строго определенных параметров.

Технологическая цепочка движения газа:

1. Источники сброса: Газы от предохранительных клапанов (PSV) аппаратов УКПН (сепараторы, теплообменники, ёмкости), продувочные и дегазационные линии собираются в общий факельный коллектор.

2. Подготовка газа: Поток газа под давлением направляется в сепаратор-дожиматель (Кnock-Out Drum). Здесь происходит:

3. Транспортировка к факелу: Осушенный газ по факельному стояку поднимается к горелочному устройству. На входе в факельную мачту часто устанавливается гидрозатвор (линейный или силового типа), предотвращающий проскок пламени вниз по стволу.

4. Сжигание: На вершине ствола газ истекает через горелку, смешивается с воздухом и воспламеняется от постоянно горящего пилотного факела (Pilot Flame), который в свою очередь зажигается высоковольтной искрой от системы зажигания (Ignition System).

5. Подавление дыма: При сжигании газов с высоким содержанием тяжелых углеводородов (C3+) для предотвращения образования сажи включается система подачи пара. Пар, истекая с высокой скоростью из кольцевого сопла вокруг факела, вовлекает дополнительный воздух и вызывает турбулизацию, обеспечивая полное сгорание.

1.3 Обоснование необходимости и цели разработки автоматизированной системы мониторинга

Существующие на многих объектах системы контроля факельных установок часто фрагментарны и ограничиваются локальной сигнализацией по ключевым параметрам. Это создаёт ряд проблем [5]:

1. Отсутствие целостной операторской картины: Диспетчер видит разрозненные сигналы, но не может оперативно оценить общее состояние системы, взаимосвязь параметров и динамику развития ситуации.

2. Риск пропуска предаварийных ситуаций: Медленный дрейф параметров (например, постепенный рост уровня в сепараторе) или расхождение показаний смежных датчиков могут остаться незамеченными до перехода в аварийный режим.

3. Сложность анализа и отчётности: Отсутствие архива данных и трендов затрудняет расследование инцидентов, оптимизацию режимов работы и планирование ТО.

4. Высокая нагрузка на оператора и человеческий фактор: Необходимость постоянного визуального наблюдения за мнемосхемой и принятия решений на основе неполных данных.

2. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ФАКЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Методологические основы и цели анализа надёжности технологических систем мониторинга

Цели настоящего анализа:

1. Идентификация и ранжирование рисков.

2. Определение причинно-следственных связей.

3. Количественная оценка.

4. Разработка превентивных мер.

Ключевые функции (FR) системы: контроль давления (FR1), расхода газа (FR2), уровня жидкости (FR3), состава газа (FR4), температуры факела (FR5), наличия пламени (FR6), визуализация данных (FR7), взаимодействие с ПАЗ/АСУ ТП (FR8) [5].

2.2 Функционально-структурный анализ систем абсорбции

Система мониторинга факельной системы представляет собой трехуровневую архитектуру.

Полевой уровень: первичные датчики (давления, уровня, анализаторы состава, термопары, сканеры пламени, расходомеры).

Уровень управления: Программируемые логические контроллеры (ПЛК, например, Siemens S7-1500), промышленные сети.

Верхний уровень: SCADA-система (например, WinCC) на серверах и АРМ оператора [6].

2.3 Анализ видов и последствий отказов (FMEA)

FMEA проведён для критических компонентов. Наибольший риск (RPN) выявлен у:

Датчика уровня в сепараторе (LI-301): ложное занижение показаний (причина: загрязнение). Последствие: система не видит рост уровня жидкости. Мера: применение радарных датчиков с самоочищающейся антенной.

Датчика давления (PI-501): «заморозка» показаний. Мера: использование «умных» датчиков с самодиагностикой.

Анализатора состава газа (AI-401): систематическая ошибка (сдвиг калибровки). Мера: автоматическая калибровка.

Вывод: Ключевые стратегии повышения надёжности — аппаратное резервирование, приборы с диагностикой, логика голосования.

2.4 Построение и количественный анализ дерева отказов (FTA) для целевого события "Выброс несгоревших углеводородов в атмосферу"

Вершинное событие (TOP) = Подача газа при отсутствии пламени (G1) ИЛИ Неполное сгорание (G2).

Анализ выявил наиболее вероятные комбинации отказов:

Отказ датчика уровня + отказ клапана сброса жидкости → попадание жидкости в факел.

Ложный сигнал пламени + отказ отсечного клапана → подача газа без горения [5].

Отказ анализатора состава + отказ регулятора пара → недостаток окислителя [5, 6].

Вывод: Основной риск создают комбинации отказов, что обосновывает необходимость физического разделения каналов измерения и управления, тестирования арматуры.

2.5 Статистическая оценка надёжности и расчёт показателей безотказности

На основе данных составлена таблица показателей (λ — интенсивность отказов, НрО — наработка на отказ, Кг — коэффициент готовности):

Датчик давления (Rosemount 3051): λ=2.5E-6, НрО=400 000 ч, Кг=0.99998.

Радарный уровнемер: λ=5.0E-6, НрО=200 000 ч, Кг=0.99994.

ПЛК (Siemens S7-1500): λ=1.2E-6, НрО=833 333 ч, Кг=0.999995.

Расчёт для системы с резервированием: вероятность безотказной работы дублированного контура контроля уровня за год повышается с ~0.96 (один датчик) до ~0.998.

2.6 Комплекс мер по повышению надёжности и безопасности системы

Предлагается многоуровневая стратегия:

Аппаратно-технические меры: Резервирование (hot/cold standby) критических компонентов (ПЛК, серверы, датчики уровня, сканеры пламени). Функциональное резервирование (доп. датчик перепада давления). Модернизация КИП на «умные» приборы [3, 5].

Программно-алгоритмические меры: Внедрение алгоритмов взаимного контроля (Cross-Check), периодической самодиагностики, обязательного квитирования критических аварийных сигналов.

Организационно-эксплуатационные меры: Внедрение Системы Управления Надёжностью (СУН) и обслуживания по состоянию (CbM). Создание «цифрового двойника» для тренировок. Жёсткий регламент калибровки [5].

Ожидаемый эффект: Повышение коэффициента готовности системы >0.9995 (простой <4.5 часов/год), существенное снижение вероятности катастрофических событий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Система мониторинга идентифицирована как критически важный элемент безопасности ФС УКПН.

Анализ FMEA и FTA выявил системные «слабые звенья» — наиболее опасны комбинации отказов (датчик + исполнительный механизм).

Количественная оценка подтвердила необходимость резервирования для достижения приемлемой надёжности.

Разработан комплекс превентивных мер, охватывающий аппаратный, программный и организационный уровни.

Внедрение предложенной системы позволит значительно снизить эксплуатационные и экологические риски, повысить экономическую эффективность и обеспечить соответствие строгим стандартам безопасности.

Дальнейшие исследования: детальная проработка алгоритмов прогнозной аналитики и интеграция в комплекс «Цифровое месторождение».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технологический регламент УКПН-2.

2. Кутепов А.М., Никитин А.Д. Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда на предприятиях химических производств: учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Альянс, 2021. — 430 с.

3. Общая химическая технология. Введение в моделирование химико-технологических процессов: учебное пособие для вузов / В.В. Дивин [и др.]; под ред. В.В. Дивина. — М.: Юрайт, 2022. — 343 с.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие для вузов. — 16-е изд., стер. — СПб.: Лань, 2019. — 624 с.

5. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Академия, 2020.

6. Автоматизация технологических процессов и производств в химической промышленности: сб. трудов XII Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 15–16 ноября 2022 г. / Ред. коллегия: А.В. Сидоров (пред.) [и др.]. — М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2022. — 215 с.

Код для цитирования: Скопировать