Аммиачные холодильные установки относятся к опасным производственным объектам [1, 2]. Аммиак, как известно, является сильно действующим ядовитым веществом, а смесь паров аммиака и воздуха является взрывоопасной. Конечно, холодильное оборудование и трубопроводы герметичны, но при разгерметизации возможна утечка большой массы аммиака, создающая опасность отравления при концентрации аммиака свыше 0,35 г/м3 (0,05% объемных) и взрыва в помещении или на открытой площадке при образовании смеси с концентрацией аммиака 107-200 г/м3 (15-28% объемных).
Для таких объектов нормативные документы требуют, чтобы для каждого технологического блока (аппарата) производилась оценка энергетического уровня и определялась категория его взрывоопасности. Эти показатели относятся к основным, влияющим на выбор схемы холодильной установки, типа оборудования, системы автоматической защиты и уровня надежности.
Автоматизация управления, контроля и защиты занимает особое место в обеспечении безопасности аммиачных холодильных установок. В большинстве случаев необходимые показатели безопасности не могут быть достигнуты без применения систем автоматического управления, контроля и защиты. При этом надежность систем автоматизации аммиачных холодильных установок оказывает существенное влияние на указанные показатели. Отказы систем автоматизации приводят к нарушению режима работы охлаждаемых объектов и созданию ситуаций опасных для персонала, производства и окружающей среды. Поэтому надежность систем автоматизации должна оцениваться количественно и обеспечиваться техническими мероприятиями.
Для систем автоматизации с непрерывным технологическим процессом наиболее важное свойство надежности - безотказность функционирования, оцениваемая такими показателями, как вероятность безотказной работы и наработка до отказа.
Системы автоматизации создают на базе серийно выпускаемых изделий (элементов), каждое из которых имеет показатель безотказности.
Уровень надежности систем автоматизации зависит от многих факторов, например, от последствий отказов, условий эксплуатации. Он обосновывается разработчиком проекта при создании системы.
Для систем автоматизации аммиачных холодильных установок, для которых последствия отказов оценивают не только экономическим показателем, вероятность безотказной работы обычно принимают не ниже 0,99, то есть Рс.т(τ) ≥0,99.
Время, в течение которого надо обеспечить указанную выше вероятность безотказной работы, принимают, ориентируясь на структуру системы технического обслуживания и ремонта холодильного оборудования и на заданный уровень надежности.
Вероятность безотказной работы системы определяют, полагая, что закон распределения вероятности - нормальный с ограничениями: среднее квадратическое отклонение σ≤0,2 τср.р. и наработка до проверки технического состояния элементов системы τп.т.≤0,3 τср.р., где
τср.р. - средний ресурс, ч.
Требуемый уровень надежности системы в общем случае обеспечивают резервированием и определяют по формулам:
- при последовательном соединении независимых элементов:
Рс(τ) = ПРi(τ); (1)
- при параллельном соединении независимых нагруженных элементов:
Рс(τ) = 1-П[1-Рi(τ)], (2)
где Рi(τ) - вероятность безотказной работы i-го элемента.
Пример. Определить надежность системы автоматическою управления, контроля и защиты поршневого компрессорного агрегата, которая включает элементы, представленные в таблице 1.
Таблица 1
|
Элемент |
Средний ресурс τср.р., ч |
Среднее квадратичное отклонение, ч |
|
Датчик-реле высокого давления |
4700 |
500 |
|
Датчик-реле низкого давления |
4700 |
500 |
|
Датчик-реле разности давлений |
5000 |
600 |
|
Датчик-реле температуры |
5700 |
650 |
|
Предохранительный клапан |
7000 |
1300 |
|
Реле уровня |
3500 |
950 |
|
Пульт управления |
30000 |
1200 |
Находим вероятность безотказной работы элементов за время, равное наработке до технического осмотра компрессорного агрегата τп = τт.о = 1800 ч при нормальном законе распределения по формуле:
Рi(τп) = F(U); (3)
где F(U) - табулированная функция, значения которой табличные. U - квантиль нормального распределения, равный:
U = (τср.р.–τп)/σ. ; (4)
Значения U и Р(τп) приведены в таблице 2.
Рассчитываем вероятность безотказной работы системы, полагая, что отказ любого элемента приводит к отказу всей системы (1):
Таблица 2
|
Элемент |
Квантиль нормального распределения U |
Вероятность
безотказной
работы P (1800) |
|
Датчик-реле высокого давления |
5,8 |
0,9999 |
|
Датчик-реле низкого давления |
5,8 |
0,9999 |
|
Датчик-реле разности давлений |
5,3 |
0,9999 |
|
Датчик-реле температуры |
6 |
0,9999 |
|
Предохранительный клапан |
4 |
0,9999 |
|
Реле уровня |
1,79 |
0,9633 |
|
Пульт управления |
23,5 |
0,9999 |
Рс (1800) - 0,99996 · 0,9633 = 0,9627.
Полученное значение Рс (1800) = 0,9627 меньше требуемого Рс.т = 0,99. В связи с этим уровень надежности надо повысить, например, резервированием - дублированием реле уровня, имеющего самое низкое значение Р(τ). Тогда вероятность безотказной работы системы будет (2):
Рс (1800) = 0,99996 · [1–(1–0,9633)2] = 0,9981.
Следовательно, система с дублированием реле уровня имеет требуемый уровень надежности.
Литература.
1. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-170-97-М.: ПИО ОБТ, 1999. - 140 с.
2. Правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок. ПБ-09-220-98-М.: ПИО ОБТ, 1999.
