Методологические основы совершенствования автоматизированных систем противопожарной защиты предприятий нефтеперерабатывающего комплекса с применением видеотехнологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Методологические основы совершенствования автоматизированных систем противопожарной защиты предприятий нефтеперерабатывающего комплекса с применением видеотехнологий

Демехин Феликс Владимирович

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Членов Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шебеко Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор Таранцев Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор Куватов Валерий Ильич

Ведущая организация: Институт по проектированию предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности "Ленгипронефтехим"

Защита состоится 27 марта 2009 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 205.003.01 в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский пр., 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Хорошилов О.А.

Введение

Пожаровзрывоопасность нефтеперерабатывающих производств определяется содержанием на технологических установках и в емкостном оборудовании большого количества пожароопасных веществ, которыми являются сырье, промежуточные и конечные продукты производства. К осложняющим факторам относятся вертикальная и горизонтальная уплотнительные застройки территории предприятий, увеличение мощностей применяемых установок и аппаратов, приближение технологических параметров проведения процессов к критическим по пожарной опасности. Уровень пожарной безопасности указанных объектов неразрывно связан с комплексным решением рассматриваемых проблем всей нефтеперерабатывающей отрасли, включая следующие основные направления:

- анализ опасности и оценка пожарного риска объектов нефтепереработки;

- разработка методов, технологий и технических средств, позволяющих вести процесс в области допустимого пожарного риска;

- совершенствование существующих и разработка новых принципов построения систем противопожарной защиты;

- построение автоматизированных систем управления процессом производства и процессом обеспечения пожарной безопасности с использованием последних достижений в области микроэлектроники и вычислительной техники.

Основные работы в рассматриваемых направлениях проводились Ю.Н. Шебеко, Н.Г. Топольским, А.А. Абросимовым, В.А. Федоровым и другими учеными России. пожарный риск опасность

За последние 10 лет существенное развитие в информационных технологиях получило направление автоматизации с применением программируемых логических контроллеров и промышленных компьютеров. Данная техника позволяет максимально автоматизировать процесс управления, прогнозировать и своевременно предотвращать аварийные ситуации, взрывы и пожары. При достаточно сложной аппаратной и программной структуре современная автоматизированная система управления противопожарной защитой для конечного пользователя является вполне простой и наглядной. Кроме этого в последнее время существует четкая тенденция к автоматизации и взаимной интеграции технологических, инженерных и охранно-пожарных систем на предприятиях нефтепереработки, однако четкие методики по интеграции, а также законодательная база по данному направлению отсутствует.

Учитывая рост производительности отдельных микропроцессорных устройств и компьютерных систем в целом, существенное удешевление компонентов ввода/вывода информации, модернизацию и применение перспективных физических интерфейсов обмена данными, становится возможным передача и обработка большого объема данных, которым является видеоинформация, имеющая незаменимый эффект при ее применении в автоматизированных системах противопожарной защиты. Актуальность данного направления особенно остро строит в области защиты крупных наружных технологических установок и резервуаров с нефтепродуктами на современных нефтеперерабатывающих заводах, где применение традиционных средств пожарной автоматики либо не достаточно оправдывают себя с экономической точки зрения, либо приводят к нагромождению системы и уменьшению надежности ее функционирования.

Приведенные вопросы в комплексе составляют основу серьезной проблемы и определяют новое направление научных исследований по созданию современной и эффективной автоматизированной системы противопожарной защиты с использованием видеотехнологий, которая при применении на предприятиях нефтеперерабатывающего комплекса внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

Процесс исследования рассматриваемой научно-технической проблемы позволит установить закономерности проявления и развития, методы и средства превентивного и текущего управления техногенными явлениями разрушительного и пожароопасного характера, которые могут сопровождаться значительным ущербом, социальной и экологической опасностью на предприятиях нефтеперерабатывающей отрасли, а также других отраслях промышленности, гражданского строительства и транспорта. Решение данной проблемы необходимо для разработки нормативной базы и вывода автоматизированных систем противопожарной защиты рассматриваемых объектов на качественно новый уровень, который обеспечит существенное сокращения времени обнаружения пожара средствами пожарной сигнализации, позволит реализовать новые технологии управления пожаротушением и обеспечением безопасности людей при пожаре, а также будет являться незаменимым средством для предотвращения террористических актов, заметно участившихся в последнее время.

Цель диссертационной работы: разработка научно обоснованных технических и технологических решений по совершенствованию автоматизированных систем противопожарной защиты предприятий нефтеперерабатывающего комплекса с применением видеотехнологий.

Задачи исследования:

- провести комплексный анализ существующих и перспективных подходов к обеспечению пожарной безопасности предприятий нефтеперерабатывающего комплекса, эффективности применения систем автоматической противопожарной защиты на действующих и строящихся объектах отрасли, тенденций развития современных технических средств пожарной автоматики в России и за рубежом;

- определить и обосновать основные принципы совершенствования автоматизированных систем противопожарной защиты с использованием видеотехнологий;

- исследовать процессы возникновения пожара на технологических установках повышенной опасности и способы его обнаружения с помощью современных технических средств пожарной сигнализации;

- разработать способ и устройство обнаружения пожара с визуальным подтверждением факта срабатывания;

- исследовать возможность обнаружения опасных факторов пожара методами видеодетекции;

- разработать принципы построения пожарного видеоизвещателя;

- разработать основные принципы концептуального проектирования автоматизированной системы противопожарной защиты нефтеперерабатывающего завода с применением видеотехнологий;

- разработать обобщенную структуру интегрированной автоматизированной системы управления противопожарной защитой предприятия;

- разработать метод и критерии оценки эффективности применения видеотехнологий в автоматизированных системах противопожарной защиты;

- провести технико-экономическую оценку эффективности применения новых технических решений в системах противопожарной защиты объектов нефтепереработки.

Научная новизна:

- на основании проведенного экспертного анализа исследованы и обобщены причины, снижающие эффективность систем пожарной автоматики на стадиях их проектирования монтажа и эксплуатации;

- впервые определены принципы функциональной интеграции цифровых видеотехнологий в систему противопожарной защиты предприятий нефтеперерабатывающего комплекса;

- предложена новая теоретическая модель автоматического обнаружения пожара в емкостном оборудовании с пожароопасной жидкостью и наличием паровоздушного пространства, построенная на основе классических принципов теории "треугольника пожара";

- предложен способ и устройство обнаружения пожара с визуальным подтверждением факта срабатывания (защищено патентом на полезную модель);

- на основе анализа существующих методов видеодетекции и практических проверок предложена функциональная схема алгоритмической обработки видеосигнала для целей пожарообнаружения;

- разработан способ и устройство комбинированного пожарного видеоизвещателя (защищено патентом на полезную модель);

- впервые предложен обобщенный алгоритм функциональной интеграции автоматической системы обнаружения и тушения пожара резервуарного парка с применением пожарных видеоизвещателей;

- предложена схема усовершенствованной интегрированной автоматизированной системы управления противопожарной защитой предприятия с использованием видеотехнологий (защищено патентом на полезную модель);

- на основе методов анализа иерархий предложен способ и определены критерии оценки эффективности автоматизированных систем противопожарной защиты с применением извещателей пламени с визуальным подтверждением и пожарных видеоизвещателей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена значительным объемом аналитических и рядом экспериментальных исследований, согласованностью полученных результатов с известными данными других исследований.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы определяется использованием результатов исследований при проектировании новых автоматизированных систем противопожарной защиты современных объектов нефтепереработки, при разработке нормативных документов в области обеспечения пожарной безопасности, а также в учебном процессе высших учебных заведений пожарно-технического профиля, в том числе следующих разработках:

- монография "Физические модели горения в системе пожарной безопасности";

- монография "Новые методы и технические средства обнаружения пожара";

- ГОСТ Р "Магистральные нефтепроводы. Системы пенного пожаротушения и водяного охлаждения. Технические требования". Под общей ред. ОАО "ВНИИСТ" (в настоящее время в работе);

- НИР "Обоснование компенсирующих мероприятий в связи с вынужденными отступлениями от требований противопожарных норм нового нефтеперерабатывающего завода с выделением пускового комплекса" ООО "РН-Туапсинский НПЗ" ОАО "НК "Роснефть";

- единая концепция проектирования систем противопожарной защиты Киришского комплекса гидрокрекинга завода глубокой переработки нефти ООО "ПО "Киришинефтеоргсинтез"" ОАО "Сургутнефтегаз";

- специальные технические решения систем противопожарной защиты объектов 910-63, 910-65/2, 910-69 парка сырой нефти ООО "ПО "Киришинефтеоргсинтез"";

- специальные технические решения систем противопожарной защиты трех резервуаров сырой нефти РВСП-20000 с защитной стенкой ООО "РН-Туапсинский НПЗ";

- технико-экономическое обоснование системы пожарной безопасности "Таманьского нефтяного терминала";

- рекомендации по проектированию "Радиоканальная система охранно-пожарной сигнализации "Стрелец" ООО "Аргус-спектр" г. Санкт-Петербург;

- патент на полезную модель "Устройство для обнаружения пожара с визуальным подтверждением";

- патент на полезную модель "Устройство для обнаружения пожара на промышленных объектах";

- патент на полезную модель "Автоматизированная система управления противопожарной защитой";

- дополнения в курсы лекций по дисциплине "Производственная и пожарная автоматика" Академии ГПС МЧС России.

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение на промышленных объектах, в проектных и научно-исследовательских институтах, а также в учебном процессе высших учебных заведений пожарно-технического профиля, в том числе:

- на ООО "ПО "Киришинефтеоргсинтез" - с целью повышения уровня взрывопожарной безопасности предприятия реализованы: методология комплексного подхода к обеспечению пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающего производства; разработана и предложена концепция построения систем противопожарной защиты вновь проектируемого и строящегося завода глубокой переработки нефти на территории ООО "КИНЕФ";

- на ООО "РН-Туапсинский НПЗ" - с целью разработки комплексной системы пожарной безопасности с учетом вынужденных отступлений от действующего законадательства РФ, а также построения системы эффективного обнаружения пожара и противопожарной защиты объектов нового завода мощностью 12 млн. тонн в год;

- в ООО "Ленгипронефтехим" - с целью разработки эффективных проектных решений систем противопожарной защиты с применением современных методов обнаружения и тушения пожара на основе видеотехнологий для проектируемых заводов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности;

- в ООО "ВНИПИНефть" - с целью разработки эффективных проектных решений систем противопожарной защиты завода глубокой переработки нефти ООО "КИНЕФ";

- в "СB&I-Lummus Global L.t.d" - с целью разработки основных проектных решений интегрированной автоматизированной системы управления противопожарной защитой Киришского комплекса гидрокрекинга и других заводов, в том числе за рубежом;

- в ООО "НТЦ "Пожнефтегазпроект" - с целью разработки типовых проектных решений интегрированных автоматизированных систем противопожарной защиты предприятий нефтегазовой отрасли с применением видеотехнологий;

- в ООО "Пожнефтехим" - с целью оптимизации инвестиций при проектировании и строительстве систем противопожарной защиты Таманьского нефтяного терминала с применением современных методов и средств;

- в ООО "Пожинжиниринг" - с целью разработки оптимальной структуры обеспечения пожарной безопасности новых объектов ОАО "НК "Роснефть" с учетом технико-экономических показателей на современном этапе развития России.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в выступлениях, обсуждены и получили одобрение в 2004-2007 г.г. на научно-технических конференциях различного уровня в т.ч.: на 13-ой, 14-ой и 15-ой научно-технических конференциях "Системы безопасности" (Москва АГПС МЧС России 2005-2006); Международный опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля (Санкт-Петербург, ИГПС МЧС России, 2004); Проблемы обеспечения безопасности при ЧС (Санкт-Петербург, ИГПС МЧС России, 2004); Здоровье риск и безопасность сотрудников (Санкт-Петербург, ИГПС МЧС РФ) и др., а также на совместных заседаниях кафедр пожарной автоматики, кафедры автоматизированных систем и связи в АГПС МЧС России и др.

Публикации. По результатам исследований опубликовано более 35 работ, 2 монографии, получено 3 патента на полезную модель.

Личный вклад автора. В совместных публикациях автору принадлежит: постановка и формализация задач исследования, разработка методов и конструктивных решений, теоретическое обобщение и прикладные расчеты, участие в технической реализации и внедрении разработок. В совместных публикациях и изданиях имеет место неделимое единство. Все результаты, представленные в диссертационной работе получены автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 193 наименований, приложений. Основное содержание работы изложено на 253 листах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 24 таблицы.

Основное содержание работы

В первой главе "Комплексный анализ обеспечения пожарной безопасности и определение принципов совершенствования систем противопожарной защиты объектов нефтеперерабатывающего комплекса с применением видеотехнологий" рассмотрены и проанализированы существующие подходы к применению систем пожарной автоматики вновь строящихся, реконструируемых и эксплуатируемых предприятий нефтеперерабатывающей отрасли. Проведена экспертная оценка эффективности применения систем пожарной автоматики на действующих предприятиях России, исследованы основные тенденции развития и предлагаются возможные направления использования видеотехнологий в автоматизированных системах противопожарной защиты предприятий нефтепереработки.

При проектировании систем пожарной автоматики типовых объектов различного назначения, как правило, используют стандартные способы и технические решения, порядок применения которых регламентируется действующей нормативной базой в области пожарной безопасности. На ряд технологически сложных, пожароопасных и уникальных объектов, на которые отсутствуют нормы проектирования, разрабатывают специальные технические условия по пожарной безопасности, однако, как правило, для реализации схем противопожарной защиты используют стандартные средства, предназначенные для типовых объектов.

Для проектирования и строительства современных нефтеперерабатывающих заводов привлекается большое количество подрядных организаций, в том числе зарубежных, что приводит к непониманию комплексности проблемы и отсутствию единой структуры при создании эффективной системы противопожарной защиты пожароопасного предприятия. Данный факт усугубляется тем, что многие производители оборудования пытаются предложить свои технические решения, как самые лучшие, в основном из коммерческих интересов, и намеренно вводят в заблуждение заказчика. Кроме этого нормативная база в России предусматривает сертификацию только отдельных элементов систем пожарной автоматики. В результате комплексная система, изготовленная из отдельных сертифицированных изделий, оказывается неработоспособной или формально соответствующей нормативным документам, но неэффективной. Кроме этого, существует четкая тенденция к применению программируемых логических контроллеров, в системах управления противопожарной защитой, которые весьма трудно сертифицировать отдельно от аппаратной части системы с учетом программного обеспечения. В результате готовый проект в части пожарной безопасности представляет собой "мозаику" из решений, не стыкующихся между собой. На доработку и доведение до работоспособного состояния смонтированных систем противопожарной защиты в данном случае уходит большое количество времени, а иногда так и не приводит к ожидаемым результатам. Кроме этого существует много потенциально пожароопасных объектов промышленности, на которых до сих пор эксплуатируются системы противопожарной защиты, которые были спроектированы и смонтированы более 30 лет назад и к настоящему времени исчерпали свои возможности, как в моральном, так и в физическом плане [24, 25].

Проведенный анализ позволил выявить следующую группу основных причин, снижающих эффективность применения систем пожарной автоматики [1]:

1. Наличие ложных срабатывания систем пожарной автоматики приводят к тому, что ее отключают либо, что еще хуже, вместо ремонта неисправного шлейфа сигнализации ставят оконечную цепочку прямо в прибор приемно-контрольный пожарный, имитируя его нормальную работу и вводя в заблуждение службу безопасности объекта.

2. Отсутствие срабатываний системы пожарной автоматики длительное время приводит к снижению бдительности пользователей и в критической ситуации влияет на правильность принимаемых решений оператором в случае возникновения пожара.

3. Смонтированные установки автоматического пожаротушения в ряде случаев не способны выполнить своей прямой задачи из-за того, что ввиду опасения несанкционированного выхода огнетушащего вещества отключают цепи запуска системы пожаротушения.

4. Обслуживающие организации систем пожарной автоматики формально делают необходимые записи в журнале технического обслуживания, а регламентными проверками системы пренебрегают.

На основании приведенной классификации можно сделать вывод о том, что помимо технической составляющей сильное влияние на эффективность применения систем пожарной автоматики оказывает "человеческий фактор" [18].

Одним из основных резервов решения проблемы является интеграция систем пожарной автоматики в техническом, технологическом и законодательном плане с системами замкнутого телевидения [13, 16]. Кроме этого, современные технологии, применяемые для обработки сигналов в цифровых телевизионных системах, позволяют создавать новые технические средства обнаружения и тушения пожара, которые в ряде случаев оказываются существенно эффективнее традиционных [14].

На основании проведенного анализа [6, 20] можно предложить следующие пути использования видеотехнологий в автоматизированных системах противопожарной защиты предприятий нефтепереработки:

- видеомониторинг состояния защищаемого объекта по сигналам пожарных извещателей;

- обнаружение пожара с использованием методов видеодетекции;

- применение систем оповещения людей о пожаре с динамически изменяемыми сценариями по сигналам видеодетекторов, а также в автоматизированном режиме - оператором при наличии видеоинформации с телекамер;

- автоматическое тушение пожара с помощью стационарных систем и робототехники с применением системы расчета координат очага на основе видеотехнологий;

- проведение разведки и управление силами и средствами на пожаре с использованием видеоинформации;

- расследование причин пожара и действий персонала с использованием видеоматериалов архива.

Функциональная интеграция видеотехнологий в автоматизированные системы противопожарной защиты предприятия может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 1) [23].

Первоначальным и основным направлением исследований по созданию интегрированной системы противопожарной защиты явилась теоретическая проработка возможности применения видеотехнологий в автоматических системах обнаружения пожара наиболее пожароопасных объектов предприятий нефтепереработки.

Во второй главе "Теоретическая модель возникновения и автоматического обнаружения пожара на технологических установках повышенной пожарной опасности" исследованы условия и предложена теоретическая модель процесса образования взрывоопасных зон в паровоздушном пространстве над пожароопасной жидкостью, приводящего к пожару на примере резервуара с нефтепродуктом. Проведен теоретический анализ и практические исследования способов обнаружения пожара на указанном объекте при различных сценариях развития горения. На основании полученных результатов разработано устройство обнаружения пожара с визуальным подтверждением факта срабатывания.

Основную пожарную опасность на предприятии нефтеперерабатывающей отрасли представляет собой емкостное оборудование для хранения нефтепродуктов. Данная пожарная опасность характеризуется большим содержанием веществ на единице площади, причем за расчетный вариант пожара принимается горение в резервуаре с нефтепродуктом.

В последнее время существует тенденция к применению резервуаров с защитной стенкой, которую используют вместо устройства обвалования, как предписывает СНиП 2.11.03-93 "Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы". В данном случае отсутствует достаточный опыт по их эксплуатации и статистике пожаров. Кроме этого не установлены требования к системам противопожарной защиты данных объектов.

До настоящего времени в системах обнаружения пожара обычных стальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов применяли тепловые пожарные извещатели максимального принципа действия, которые устанавливали на крыше резервуара. Однако, как показывает статистика [7, 28] в 60% случаев пожар в резервуаре начинается с подрыва крыши, что вызывает выход из строя системы пожарной сигнализации до момента ее срабатывания, и следовательно, всей системы автоматического пожаротушения.

Для совершенствования существующих и разработки новых методов обнаружения пожара, а также их реализации в технических устройствах пожарной сигнализации возникает необходимость теоретической проработки вопроса возникновения и развития пожара в емкостном оборудовании с пожароопасной жидкостью.

В настоящее время оценку пожарной опасности технологических процессов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности принято проводить на основании методик, изложенных в ГОСТ Р 12.3.047-98 "Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля" и НПБ 105-03 "Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности". Методики, приведенные в данных документах, предназначены для оценки и классификации по пожарной опасности производственных и складских помещений, а также наружных технологических установок, что ограничивает их применение для расчетов взрывоопасных зон в паровоздушном пространстве замкнутых технологических аппаратов. Для общей оценки уровня пожарной опасности того или иного объекта вопрос исследования кинетики образования паровоздушных взрывоопасных концентраций с точки зрения обеспечения пожарной безопасности не является основным и лишь усложнит принцип категорирования. Однако процесс образования горючих паровоздушных концентраций в замкнутых объемах неразрывно связан с технологическими операциями при эксплуатации аппаратов с переменным уровнем жидкости, изменяющимися температурой и давлением, что приводит к неоднородности состояния горючей среды к моменту воспламенения, а также кинетике ее сгорания.

Согласно общепринятой модели в задачах пожарной безопасности применяется принцип треугольника [9]: горючее вещество-окислитель-источник зажигания. Данный принцип минимизирует количество необходимых и достаточных условий для возникновения горения, однако, данная теория не учитывает самовоспламенение и самовозгорание, а также ряд других факторов возникновения и развития пожара, которые в целом влияют на пожарную безопасность резервуаров для хранения нефтепродуктов.

На основании принципа минимизации условий (принцип треугольника) предлагается следующая теоретическая модель автоматического обнаружения пожара, которая в частности, может быть применена к емкостному оборудованию с легковоспламеняющейся жидкостью [7]. Модель состоит из трех уровней, верхним из которых является принцип пожарной безопасности (Рис. 2).

Верхний уровень "Принцип пожарной безопасности": УВГ - условия возникновения горения, УОГС - условия образования горючей среды, ВЗ - вынужденное зажигание, ПРП - пути распространения пожара; ОКПГ - отсутствие контроля над процессом горения.

Проведенные исследования показали, что процесс образования взрывоопасных концентраций в замкнутых технологических аппаратах с легковоспламеняющейся жидкостью может быть представлен в виде среднего уровня теоретической модели автоматического обнаружения пожара - процесса образования горючей среды (рис. 3).



Как показано в работе [15], определяющим фактором процесса распределения взрывоопасных концентраций по высоте паровоздушного пространства замкнутого пространства является диффузионный и конвективный перенос от поверхности испарения к крыше сосуда. На основании проведения большого количества экспериментальных исследований в лабораторных условиях и их анализа была получена зависимость (1), которая позволила ввести соотношение между диффузионной и конвективной составляющей переноса паров в замкнутом объеме, выраженной через коэффициент (темп) насыщения m и относительный градиент концентрации n.

, (1)

где m - темп насыщения, с-1; D - коэффициент диффузии паров жидкости в воздухе, м 2/с; F - площадь испарения жидкости, м 2; V - объём паровоздушного пространства, м 3; n - относительный градиент концентрации паров, максимальное значение в идеальных условиях составляет 2,47 [4]; Н - высота паровоздушного пространства, м, s - концентрация насыщенных паров жидкости (1-s - поправка Стефана).

Анализ данных по распределению паровоздушных концентраций в свободном объеме пространства над зеркалом жидкости показывает, что рассчитанные по зависимости (1) относительные градиенты концентрации с поправкой Стефана для различных жидкостей принимают одно и то же значение, равное 1,541 0,057 (рис. 3), что говорит о том, что достижение полностью диффузионного переноса в паровоздушном пространстве замкнутого объема с пожароопасной жидкостью, даже в лабораторных условиях, весьма затруднительно. Однако, можно с достаточной точностью учесть такие факторы, влияющие на образование взрывоопасных паровоздушных зон, как конвективный перенос и конденсация паров на внутренних стенках сосуда.

Рис. 4. Расчетные значения относительных градиентов концентрации с поправкой и без поправки Стефана для различных жидкостей: 1 - октан; 2 - ксилол;3 - гептан; 4 - циклогексанон; 5 - толуол; 6 - гексан; 7 - пентан; 8 - бутанол; 9 - изобутиловый спирт; 10 - ацетон; Dспр - справочные коэффициенты диффузии.

В реальных технологических аппаратах основное влияние на кинетику образования взрывоопасных паровоздушных концентраций оказывает конвективный перенос от поверхности жидкости к крыше резервуара (аппарата). Данный перенос усиливается при проведении технологических операций и изменении технологических параметров процесса.

На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что в закрытой емкости с легковоспламеняющейся жидкостью перед воспламенением паровоздушной смеси горючая среда может находиться в однородном состоянии, что вызовет взрыв, либо в раздельном состоянии, что может вызвать сгорание горючей среды в виде огненного шара. Оба эти состояния являются начальными, затем, как правило, происходит диффузионное горение на поверхности жидкости.

На основании данных исследований можно сформулировать показатели низшего уровня теоретической модели автоматического обнаружения пожара, позволяющие определить информационные признаки развития пожара в начальной стадии на емкостном технологическом оборудовании с легковоспламеняющейся жидкостью, имеющем паровоздушное пространство, которые могут быть обнаружены с помощью средств пожарной автоматики (рис. 5).

Из рис. 5 следует, что для обнаружения пожара при различных сценариях развития горения невозможно однозначно выбрать тип технических средств пожарной сигнализации -X, а в ряде случаев принцип обнаружения пожара - Y и способ размещения пожарных извещателей - Z для их эффективного функционирования.

Обзор существующих средств пожарной автоматики вызвал необходимость поиска новых принципов обнаружения пожара и способов их реализации. Проведенный анализ показал, что на основе современных достижений науки и техники могут регистрироваться следующие информационные признаки, соответствующие опасным факторам пожара [8]:

- изменение температуры: локальное повышение, динамика роста и флуктуация в месте возникновения и развития очага горения;

- изменение газового состава среды: повышение концентрации диоксида и оксида углерода, наличие примесей паров углеводородных топлив в воздухе;

- изменение оптических свойств газовой среды: под воздействием тепловыделения очага пожара локально изменяется температура, и как следствие, коэффициент преломления света в воздухе, кроме того, часть продуктов горения выделяется в виде дыма;

- выделение продуктов горения в виде аэрозольных компонентов, что в свою очередь ведет к появлению интенсивного ослабления и рассеивания световых лучей;

- изменение интенсивности и спектральных характеристик оптического фона защищаемого объекта в инфракрасном, ультрафиолетовом и видимом диапазоне;

- изменение волновых характеристик акустического шума.

Дальнейшие исследования и практические проверки позволили выявить следующие основные искажающие факторы и определить граничные условия применения различных способов обнаружения пожара (Табл. 1) [8, 29, 30].

Таблица 1. Искажающие факторы при обнаружении пожара различными способами

Искажающие факторы	Способ обнаружения
	Газовый	Пламени	Дымовой ионизационный	Дымовой оптический точечный	Дымовой оптический линейный	Тепловой
Тепловые флуктуации	+	+	-	-	-	+
Фоновая освещенность	-	+	-	+	+	-
Воздушные потоки	-	-	-	+	+	-
Воздействия солнечных лучей	-	+	-	+	+	-
Воздействие аэрозолей (пыль, туман)	+	-	+	+	+	-

"+" оказывает искажающее влияние; "-" не оказывает искажающее влияние.

Как видно из табл. 1 ни один из способов обнаружения пожара не может обеспечить абсолютную достоверность обнаружения пожара и исключить ложное срабатывание. Ввиду этого, как было отмечено в главе 1, основное время, от момента срабатывания пожарной сигнализации до момента запуска системы пожаротушения уходит на личное подтверждение факта возникновения пожара обслуживающим персоналом путем визуального осмотра объекта, что является недопустимым при пожарах на резервуарных парках хранения нефтепродуктов и других объектах нефтепереработки так как приводит к увеличению общей инерционности системы.

По результатам исследований разработано и запатентовано устройство обнаружения пожара с визуальным подтверждением факта срабатывания (рис. 6) [10].



Рис. 6. Устройство обнаружения пожара с визуальным подтверждением факта срабатывания: телекамера - 1, пожарный извещатель 2, видеопроцессор 3, интерфейс 4, мультиплексор 5, блок управления 6, передатчик сигналов 7, блок питания 8, двухпроводная сигнальная линия 9.

Технический результат помимо обнаружения пожара выражается в дополнительном выполнении следующих функций: формирование цифрового фотоснимка с помощью телекамеры при срабатывании пожарного извещателя, передача извещения о пожаре, а также цифрового фотоснимка по двухпроводной сигнальной линии. Данное устройство позволяет постепенно переводить существующие системы пожарной сигнализации на новый тип пожарных извещателей, используя существующие шлейфы и сигнальные линии.

В главе 3 "Разработка методов и технических средств обнаружения пожара на основе видеотехнологий" проведен комплексный анализ существующих методов и способов их реализации при построении технических средств пожарной сигнализации, предложена функциональная схема системы пожарного телевидения, приводятся результаты исследований по разработке видеодетектора пожара, разработан способ и устройство для обнаружения пожара на основе методов видеодетекции.

В области патентования технических средств обнаружения пожара лидируют устройства, реагирующие на появление дыма и повышение температуры среды в защищаемом помещении либо на открытой технологической установке [33]. Сравнительно новым направлением патентования являются устройства обнаружения пожара с использованием видеотехнологий. Ключевой особенностью создания данных систем обнаружения пожара является процесс алгоритмической обработки видеосигнала определенным способом.

Как показали проведенные исследования [17], основными проблемами, которые долгое время не позволяли создать видеодетекор пожара, явились: высокая стоимость оборудования, недостаточно глубокие теоретические и экспериментальные наработки в данной области, а также определенные ограничения в нормативно-правовой базе по пожарной безопасности.

Для создания эффективного видеодетектора пожара и на его основе пожарного видеоизвещателя были поставлены и решены ряд вопросов: исследование основныех параметров, подлежащие регистрации с помощью телекамеры, определение требований к аппаратуре регистрации (телекамере-датчику), оценка адекватности влияния различных факторов на вырабатываемые телекамерой-датчиком сигналов. На основании полученных результатов разработаны теоретические основы построения видеодетектора пожара, создана алгоритмическая модель обработки сигнала, определена структура и принцип работы системы обнаружения пожара с использованием видеотехнологий.

Структурная схема системы пожарного телевидения может быть представлена в следующем виде (Рис.7).

Одним из основных узлов рассматриваемых цифровых систем замкнутого телевидения являются различного рода видеодетекторы. Видеодетекторы, анализируя сигнал, полученный с телекамер по специальным алгоритмам, служат для привлечения внимания оператора, идентификации объектов и ситуаций в автоматическом режиме - путем сложной математической обработки видеосигнала с помощью программно-аппаратных средств и обеспечивают выдачу управляющих сигналов на другие устройства.

На настоящее время существует несколько общепризнанных типов видеодетекторов [2], которые применяются в основном в системах охранного телевидения:

- детектор оставленных предметов - оповещает об оставленных предметах, анализ производится по разнице между интегральными кадрами с разными параметрами интегрирования, применяется на вокзалах, в аэропортах, в местах массового скопления людей с целью предотвращения террористических актов;

- детектор направления движения - оповещает о наличии движения и его направлении, детекция производится по градиенту межкадровой разницы во времени;

- детектор лиц - оповещает о появлении в кадре лица, в основу работы положен алгоритм каскадного распознавания образов;

- детектор фокусировки - оповещает о потере фокусировки телекамеры в результате манипуляций с объективом или потерей чувствительности матрицы, анализируется наличие контуров в высокочастотной составляющей кадра.

Проведенный методологический анализ показал, что условно все известные методы обнаружения пожара с применением телекамер можно разбить на три группы [3]. К первой группе можно отнести методы с применением опорных изображений, которые были получены до наступления тревожной ситуации при нормальных условиях для различных вариантов освещенности (день, вечер, осадки и др.).

Ко второй группе относятся методы, в которых используется определенный банк данных типовых блоков видеоизображения различных тревожных ситуаций - форма и тип пламени, интенсивность задымления и т.д., а также различных возмущающих факторов, таких как - солнечная засветка, фары движущихся автомобилей, различного рода блики и др., которые при необходимости сравниваются с отдельными частями реального изображения.

К третьей группе можно отнести методы, в которых анализируется статическая и динамическая составляющие отдельных элементов изображения по яркостной и цветовой составляющей.

Для правильного функционирования видеодетекторов необходимо, чтобы учитывались, либо исключались из алгоритма детекции искажающие факторы. Эти факторы используются при создании уличных видеодетекторов, которые определяют постоянные изменения освещенности, тени, блики, осадки, туман, движение животных, время суток.

Принципы, заложенные в алгоритмы работы уличных видеодетекторов, были использованы в данной работе для создания видеодетектора пожара [4]. Проведенные исследования показали, что основными факторами пожара, которые могут регистрироваться с помощью пожарных видеодетекторов, являются следующие [26]:

1. Открытое пламя - существенно отличается по интенсивности и частоте электромагнитного излучения от фоновой засветки. В ряде случаев пламя имеет флуктуацию в определенном частотном диапазоне. Следовательно, оно может быть обнаружено телекамерой по специальному алгоритму обработки сигнала. Преимуществом данного способа, несомненно, будет являться возможность контроля больших открытых пространств, технологических установок. Кроме этого, с применением подобных видеодетекторов пожара можно будет в автоматическом режиме фиксировать точное место очага возгорания для подачи огнетушащих веществ. Искажающими факторами будут являться: возмущения, связанные с солнечной засветкой, переменой времени суток, осадками, перемещениями в кадре людей и птиц. Учитывая имеющиеся алгоритмы, используемые в системах охранного телевидения, данные возмущения существенных проблем не вызывают.

2. Столб дыма на открытом воздухе - может быть распознан системой видеодетекции на окружающем фоне по резкому изменению контрастности изображения на большой площади кадра. Столб дыма имеет характерные турбулентные движения частиц под влиянием конвективного переноса а атмосфере. Искажающим фактором будет являться различная освещенность, зависящая от времени суток, однако эта проблема может быть решена применением опорных световых сигналов, либо применением инфракрасных прожекторов.

3. Дым в помещении или ограниченном пространстве - при пожаре: как правило, наблюдается постепенное задымление в верхней части помещения, т.е. постепенное ухудшение контрастности изображения, что может быть зарегистрировано обычной телекамерой, применением специального алгоритма, анализирующего плавное снижение контрастности. Основным искажающим фактором будет являться недостаточная контрастность в помещении в темное время суток. Данная проблема может быть решена также применением опорных сигналов, либо инфракрасных прожекторов.

4. Пожар на технологических установках промышленных предприятий, в которых обращаются легковоспламеняющиеся жидкости, как правило, сопровождается взрывом, обрушением и деформацией строительных и технологических конструкций, изменением геометрических параметров в кадре изображения, которые могут быть легко различимы применением достаточно простых программируемых видеодетекторов.

Проведенные исследования показали, что наиболее перспективными способами видеодетекции являются следующие: идентификация открытого пламени, идентификация столба дыма, нарушение геометрических характеристик защищаемого объекта. С учетом данных положений разработана алгоритмическая структура обработки видеосигнала (рис. 8).

Для проверки данной теории и создания пожарного видеоизвещателя была проведена оценка достоверности срабатывания каждого из трех видеодетекторов, входящих в данную схему по аналогии с известным комбинированным пожарным извещателем. Методика оценки достоверности приведена ниже [5, 31].

Принималось, что время между началом пожара и временем его обнаружения каждым из видеодетекторов распределены по показательному закону с интенсивностью л и м соответственно. В диссертации показано, что в этом случае априорная вероятность возникновения пожара может быть оценена по формуле

. (2)

Введем двоичную переменную и=1, если факт возгорания имел место в действительности и и=0 - в противном случае. Пусть пожарный извещатель имеет n каналов обнаружения пожара. Вероятность обнаружения пожара каждым каналом не зависит от того, какие каналы пожар обнаружили, а какие - нет. Рассмотрим вектор , где Yi = 1, если i-й канал срабатывает (выдает на ПКП сигнал о возгорании) и Yi = 0 - в противном случае.

Прибор по наблюдаемым компонентам Y1, Y2,…,Yn должен сделать заключение о том, чему равна ненаблюдаемая компонента и. Одна из наиболее очевидных стратегий заключается в том, чтобы считать и=1, если сработал хоть один канал. Другая стратегия: считать, и=1, если сработало не менее двух каналов и т.д. Для выбора лучшей стратегии из возможных можно использовать следующий подход.

Пусть нам известны: - вероятность правильного срабатывания i-го канала и - вероятность ложного срабатывания i-го канала. Будем считать, что если отрезок времени между срабатыванием каналов не больше, чем , то каналы сработали одновременно. Тогда, если на отрезке времени сработало несколько каналов, то вероятность того, что пожар на самом деле имеет место, находится по формуле Байеса

. (3)

Теперь мы можем по формуле (3) вычислить вероятность того, что параметр и действительно равен единице (возгорание на самом деле имеет место) для различных вариантов вектора Y. Анализируя эти вероятности можно выбрать лучшую стратегию из возможных. Для того, чтобы пояснить как это делается, рассмотрим следующий пример.

Учитывая, что предлагаемое устройство имеет три канала обнаружения пожара, вероятности правильного срабатывания и вероятности ложной тревоги для каждого из каналов будут представлять следующие значения (табл. 2).

Для стратегии, при которой срабатывает хотя бы один канал из трех вероятность пропуска сигнала практически равна нулю (0,001). Однако для него высока вероятность ложной тревоги (0,686).

Таблица 2. Вероятности истинного и ложного срабатывания для трехканальной системы

№ канала	1	2	3
ссi	0,8	0,9	0,95
сфi	0,01	0,02	0,04

Примем, что интенсивности л и м равны соответственно 0,01 и 0,2. По формуле (2) вычислим априорную вероятность возникновения пожара. Получим . Используя этот результат, по формуле (3) вычислим вероятность того, что возгорание на самом деле имеет место для всех возможных вариантов срабатывания каналов. Результаты вычислений представлены в табл. 3.

Таблица 3. Расчетные характеристики устройства при трехканальной схеме

№ канала	Варианты срабатывания каналов
1	0	0	0	1	0	1	1	1
2	0	0	1	0	1	0	1	1
3	0	1	0	0	1	1	0	1
Ф	0,93139	0,03880	0,01901	0,009408	0,000792	0,00039	0,00019	0,00001
c	0,001	0,019	0,00911	0,00414	0,17104	0,07605	0,03610	0,68413
-1	931,392	2,04252	2,11202	2,35243	0,00463	0,00515	0,00533	1,17E-05
P(и=1/Y)	5,36802E-05	0,02389	0,02312	0,02081	0,91522	0,90649	0,90361	0,99977
P(и=0/Y)	0,99994632	0,97610	0,97687	0,97918	0,08477	0,09351	0,09639	0,00023

В строках Ф и c (табл. 3) указаны вероятности ложной тревоги и вероятности правильного обнаружения для соответствующих вариантов значений вектора Y. Рассмотрим три стратегии, при которых и принимается равной единице (пожар на самом деле имеет место): сработал хоть один канал, сработало не менее двух каналов, сработали все три канала. Вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги для первого варианта рассчитываются как суммы вероятностей, находящихся в последних семи столбцах таблицы, для второго варианта - как суммы вероятностей, находящихся в последних четырех столбцах, а для третьего варианта они равны вероятностям, находящимся в последнем столбце таблицы. Результаты этих вычислений приведены в табл. 4.

Проанализируем содержание последних двух таблиц. Анализ таблицы 3 показывает, что лучше выбрать стратегию при которой и принимается равной единице только если сработали все три канала. В этом случае вероятность того, что пожар на самом деле имеет место, практически равна единице (0,99977). Однако анализ таблицы 4 показывает, что в этом случае вероятность правильного обнаружения равна всего 0,684. Это значит, что высока вероятность пропуска сигнала - вероятность того, что пожар на самом деле имеет место, а мы будем считать, что его нет.

Таблица 4. Вероятность обнаружения пожара при трехканальной схеме

Вероятность	Стратегия присвоения и значения равного единице
	Хотя бы один из трех	Не менее двух	Все три
Вероятность правильного обнаружения	0,999	0,967	0,684
Вероятность ложной тревоги	0,686	0,001	0,00001

Наиболее целесообразной будет стратегия "не менее двух", при которой факт пожара считается установленным, если сработало не менее двух каналов из трех. В этом случае вероятность того, что пожар на самом деле имеет место, практически равна единице, вероятность правильного обнаружения пожара - равна 0,967, а вероятность ложной тревоги - 0,001. Обобщая эти результаты, приходим к следующим выводам. При использовании логической схемы "И" обработки сигналов в комбинированном пожарном извещателе можно значительно повысить его помехозащищенность. Например, при комбинации светового и дымового оптического каналов извещатель становится устойчивым к дестабилизирующим факторам, приведенным в таблице 4.

Проведенный анализ показывает, что в случае мажоритарной логики за счет увеличения количества анализируемых признаков может быть достигнут существенный эффект увеличения обнаруживающей способности и (или) снижения вероятности ложного сигнала тревоги).

При дальнейшем проведении исследований был разработан и запатентован автоматический пожарный видеоизвещатель (рис.9) [11]. Задачей, реализованной в данном устройстве является автоматическое обнаружения пожара по нескольким информационным признакам на основе анализа сигнала, получаемого от телекамеры.

Данное устройство является программно-аппаратным комплексом и позволяет повысить достоверность обнаружение пожара с автоматическим формированием тревожного извещения в систему пожарной сигнализации и одновременной архивацией соответствующего видеоизображения для его последующего анализа. Повышение достоверности обнаружения пожара достигается тем, что в процессе функционирования устройства обеспечивается одновременно обнаружение и идентификация таких факторов пожара, как пламя, дым, обрушение строительных конструкций, с учетом различных условий освещенности и внешних искажений.

Рис. 9. Структурная схема пожарного видеоизвещателя: 1 - телекамера; 2 - фильтр искажений; 3 - блок распознавания искажений; 4 - блок анализа фона; 5 - блок обнаружения пожара; 6 - модуль принятия решений; 7 - детектор пламени; 8 - детектор дыма; 9 - детектор активности; 10 - блок логический; 11 - блок формирования извещений; 12 - блок архивации.

Разработанное устройство предназначено главным образом для использования в системах пожарной сигнализации и пожаротушения резервуарных парков хранения нефтепродуктов, сложных и крупногабаритных технологических установок на предприятиях нефтепереработки.

В главе 4 "Основы концептуального проектирования автоматизированной системы противопожарной защиты с применением видеотехнологий на примере нефтеперерабатывающего завода" приводится структура построения, алгоритм функционирования и методика создания интегрированной автоматизированной системы противопожарной защиты с использованием видеотехнологий на примере нового нефтеперерабатывающего завода.

Принцип концептуального построения системы противопожарной защиты необходимо производить с учетом технико-экономеческих параметров системы, при этом должно соблюдаться действующее законодательство [32].

Экономическую стратегию анализа управляемости обобщенных рисков, связанных с противопожарным состоянием как нефтеперерабатывающего завода в целом, так и конкретных объектов защиты в частности можно выразить в виде:

R = f {Y, P} < f {ER, AE}, (4)

где Y - вероятный ущерб; P - вероятность возникновения пожаров; ER - затраты на снижение рисков и последствий пожаров; AE - коэффициент эффективности затрат.

Техническая стратегия предусматривает основные требования по обеспечению пожарной безопасности к различным разделам проекта, таким как:

- генеральный план;

- технологические решения;

- архитектурно-строительные решения;

- инженерные решения противопожарной защиты.

Основными моментами, которые должны учитываться при расчете и проектировании автоматизированных систем противопожарной защиты нефтеперерабатывающих предприятий являются следующие:

- обеспечение безопасности людей, занятых на обслуживании технологических объектов, в случае пожара или возникновения других аварийных ситуаций;

- не нанесение ущерба третьим лицам - людям и имуществу за территорией завода;

- защита дорогостоящего технологического оборудования, сырья, промежуточных и конечных продуктов производства от гибели или порче при пожаре;

- сохранение работоспособности завода в период пожара и после его окончания;

...