Проектирование автоматизированных технологических комплексов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств


Т. М. Муртазин





ПРОЕКТИРОВАНИЕАВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ


Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 62-52:622.3
ББК 33.361
    М91

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации, телекоммуникации и метрологии Уфимского государственного технического университета Веревкин Александр Павлович;
доктор технических наук, профессор, генеральный директор ООО НПЦ «Трубопроводсервис» Хуснияров Мират Ханифович


        Муртазин, Т. М.

М91       Проектирование автоматизированных технологических комплексов
     нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств : учебное пособие / Т. М. Муртазин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -196 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1036-6

     В учебном пособии рассматриваются вопросы, возникающие при разработке автоматизированных технологических комплексов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Приведен общий порядок проектирования промышленных объектов в целом и автоматизированных систем в частности, в том числе вопросы организации и управления проектами. Описаны типы автоматизированных систем, разрабатываемые в составе автоматизированных комплексов, и решаемые ими задачи. Рассмотрены основные документы в составе проектов автоматизированных систем, порядок их разработки, требования к их содержанию и оформлению.
     Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих проектирование автоматизированных систем, а также может быть полезно специалистам в области автоматизации нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

УДК 62-52:622.3
                                                       ББК 33.361







ISBN 978-5-9729-1036-6

     © Муртазин Т.М., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Оглавление

Введение......................................................................5
1.  Характеристикаавтоматизированного технологического комплекса..............8
  1.1. Автоматизированные технологические комплексы как сложные системы.......8
  1.1.1. Основные принципы системотехники при разработке сложных систем.......8
  1.1.2. Структурная декомпозиция систем (эшелонирование).....................9
  1.1.3. Декомпозиция по уровню описания сложных систем (стратифицирование)...11
  1.1.4. Декомпозиция по уровню принятия решений (слои)......................13
  1.2. Структура АТК нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств......15
  1.3. Задачи проектирования АТК.............................................19
2.  Основы проектирования промышленных объектов..............................21
  2.1. Проект как сложная система............................................21
  2.2. Организация проектных работ...........................................23
  2.2.1. Управление проектами................................................23
  2.2.2. Организационная структура проектной деятельности....................29
  2.3. Управление качеством проекта..........................................32
  2.3.1. Ограничения проекта.................................................32
  2.3.2. Методы планирования проекта.........................................33
  2.3.3. Обеспечение качества проекта........................................37
  2.4. Показатели оценки проекта.............................................39
  2.5. Принципы организации работ по созданию промышленных объектов..........42
  2.6. Реализация проекта промышленного объекта..............................44
  2.6.1. Стадии разработки проекта...........................................44
  2.6.2. Разработка задания на проектирование................................45
  2.6.3. Разработка проектной документации...................................47
  2.6.4. Экспертиза проектной документации...................................49
  2.6.5. Разработка рабочей документации.....................................51
  2.6.6. Авторский надзор за строительством, разработка эксплуатационной документации, пуско-наладочные работы....................................................52
  2.7. Нормативно-техническое обеспечение проектирования.....................54
  2.7.1. Стандартизация как метод оптимизации проектирования.................54
  2.7.2. Государственная система стандартизации..............................58
  2.7.3. Система нормативного регулирования в сфере проектирования и строительства 61
3.  Проектирование автоматизированных систем.................................63
  3.1. Понятие автоматизированной системы....................................63
  3.2. Классификация автоматизированных систем управления....................65
  3.3. Стадии создания проектов автоматизированных систем....................70
  3.4. Состав проекта автоматизированной системы.............................74
  3.5. Разработка комплектарабочих чертежей проектов нижнего уровня автоматизации ....78
  3.5.1. Состав рабочих чертежей проекта по автоматизации и требования к ним..78
  3.5.2. Методические материалы при разработке проектов автоматизации........92
  3.5.3. Порядок разработки документации марки «Автоматизация технологических процессов».................................................................93
  3.6. Общие правила оформления проектной документации.......................98
4.  Нормативные требования при проектировании автоматизированных систем нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств..........................101
  4.1. Особенности проектирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств...............................................................101
  4.2. Требования к системам управления взрывоопасных производств...........103
  4.3. Обеспечение безопасности отдельного оборудования нефтехимических производств...............................................................105
  4.4. Энергетическое обеспечение системы управления........................109

3

  4.4.1. Категории электроприемников........................................109
  4.4.2. Электроснабжение систем управления.................................111
  4.4.3. Пневмопитание систем управления....................................114
  4.5. Электрооборудование взрывоопасных зон.................................118
  4.5.1. Классификация взрывоопасных зон....................................118
  4.5.2. Виды взрывозащиты электрооборудования..............................124
  4.5.3. Маркировкаэлектрооборудования......................................126
  4.6. Электрические и трубные проводки.....................................130
  4.6.1. Виды проводок. Способы прокладки....................................130
  4.6.2. Виды электрических кабелей.........................................131
  4.6.3. Электропроводки во взрывоопасных зонах.............................134
  4.7. Требования к операторным.............................................138
5.  Системы обеспечения безопасности технологических производств............142
  5.1. Принципы управления безопасностью опасных производственных объектов...142
  5.2. Основные показатели надежности АС....................................147
  5.3. Моделирование систем безопасности для расчета показателей надежности..153
  5.4. Интегральный уровень полноты безопасности............................161
  5.4.1. Расчет интегрального уровня полноты безопасности систем обеспечения безопасности..............................................................161
  5.4.2. Определение требований к уровню полноты безопасности...............164
  5.4.3. Повышение уровня полноты безопасности..............................170
  Список использованной литературы..........................................172
  Приложение А. Основные принципы системотехники............................176
  Приложение Б. Обозначение марок рабочих чертежей и прилагаемых документов (по ГОСТ Р 21.101-2020)...................................................180
  Приложение В. Обозначение функционального назначения устройства на схемах автоматизации.............................................................183
  Приложение Г. Функциональная схема автоматизации в развернутым и упрощенным способом (ГОСТ 21.408-2013)...............................................184
  Приложение Д. Примеры документов рабочих чертежей марки «Автоматизация технологических процессов»................................................185
  Приложение Е. Виды взрывозащиты электрооборудования.......................190
  Приложение Ж. Руководящие материалы по проектированию систем автоматизации технологических процессов, разработанных организациями
  МИНМОНТАЖСПЕЦСТРОЯ СССР...................................................191

4

        Введение


     В русском языке определение ПРОЕКТА (греч. PROJECTUS - брошенный вперед) имеет два понятия. Первое - определяет проект в широком смысле, как нечто способное что-либо изменить в жизни, в мире. В этом смысле результат проекта не всегда предполагает материально осязаемый объект, например, проведения торжества, поступление в ВУЗ, покупка квартиры и т. п. Второе -определяет проект как изображение или документальное описание для создания материального объекта, например, жилого дома, автомобиля, нефтеперерабатывающей установки и т. п.
     Английский язык более четко разделяет эти два понятия. Для обозначения проекта в широком смысле используют слово Project, создание описания или разработку документации определяют словом Design.
     Общей характеристикой обоих понятий является то, что проект определяется как результат деятельности с получением уникального результата.
     Международные стандарты предлагают следующие определения понятию «проект».
     ПРОЕКТ - временное предприятие для создания уникальных результатов, продуктов или услуг (A guide to the project management body of knowledge (PMBOK guide) - Руководство к своду знаний по управлению проектом (Руководство PMBOK), США).
     ПРОЕКТ - это уникальный набор процессов, состоящих из скоординированных и управляемых задач с начальной и конечной датами, предпринятых для достижения цели (ISO 21500:2012 Guidance on project management - Руководство по управлению проектами, Международный стандарт).
     ПРОЕКТ - это комплекс взаимосвязанных мероприятий, направленный на создание уникального продукта или услуги в условиях временных и ресурсных ограничений (ГОСТ Р 54869-2011 Требования к управлению проектом).
     Развернутое определение проекта приводится в стандарте P2M «A Guidebook of Project and Program Management for Enterprise Innovation» (Руководство по управлению проектами и программами для корпоративных инноваций, Япония). Стандарт P2M наделяет проект рядом параметров:
     -       проект - это активность по созданию ценного конечного продукта для выполнения определенной миссии;
     -       при успешном завершении проекта формируется инновация или отличие в существующем продукте либо новый продукт или услуга;
     -       проект характеризуется временной природой с определенными датами начала и окончания;
     -      на проект влияют факторы неопределенности.
     В P2M акцент делается на таких особенностях проекта, как создание ценности и наличие неопределенностей, которые характеризуют внешние условия развития проекта.
     Проект рассматривается как деятельность, выполняемая в условиях внутреннего и внешнего окружения. К внешнему окружению проекта относится политика государства, экономическая ситуация, требования законодательства,

5

экологическая ситуация, требования рынка и т. п. К внутренним факторам проекта относят организационную структуру предприятия, организацию руководства, участников проекта, материально-техническое обеспечение, социальноэкономические условия внутри организации и пр.
     Следует различать проект и операционную деятельность предприятия. Ключевая разница между проектами и операционной производственной деятельностью заключается в том, что операции имеют непрерывный, повторяющийся характер, а проекты уникальны, индивидуальны и временны. Примером операционной деятельности являются ремонт, покраска, монтаж оборудования, выполнение расчета, проведение совещания и т. п.
     В учебном пособии рассматриваются приемы и подходы, правила и требования в отношении ПРОЕКТА, как результата системной деятельности по созданию описания нового или улучшению, преобразованию, реконструкции, расширению или другому изменению действующего объекта.
     Объекты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств являются технически сложными опасными производственными объектами (ОПО) [72], что необходимо учитывать при разработке проектов автоматизированных технологических комплексов. Специальные требования к ОПО представлены в Федеральных законах, многочисленных нормативных документах, руководящих материалах, обеспечение которых в проектах должно подтверждаться формальными процедурами, например, экспертизами различного уровня. Законодательно при создании ОПО особая роль отводится проектированию промышленных объектов [72, 74], в частности отмечено, что принятие решения о начале строительства и ликвидации опасного производственного объекта должно приниматься по результатам экспертизы проектной документации. Отклонения от проектной документации в процессе строительства, реконструкции, технического перевооружения или ликвидации объекта не допускаются.
     Проектирование современных нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств требует от специалистов обширных знаний в различных областях техники, специфических требований нормативно-технических документов, навыков использования современных информационных систем, систем автоматизированного проектирования и пр. Особые требования предъявляются к квалификации разработчиков автоматизированных комплексов. Специалист в области разработки автоматизированных систем должен обладать широким кругозором в сфере их применения, и его квалификация должна позволять решать задачи не только автоматического управления, но и смежных областей, в том числе технологии производств, электротехники и пр.
     Материал учебного пособия представлен в пяти главах.
     В первой главе автоматизированный технологический комплекс рассматривается как сложная система, для которой используется парадигма системотехники и методы синтеза сложных систем. Приводится состав и иерархия подсистем автоматизированного технического комплекса и задачи по их разработке.
     Во второй главе рассматривается системный подход как методическая основа проектирования промышленных объектов. Изучаются вопросы органи

6

зации проектных работ, оценки и обеспечения качества проектов. Проводится обзор международных стандартов по управлению проектами, и подходов к организации проектных работ.
     Рассматриваются принципы организации проектных работ декомпозицией процесса разработки на отдельные стадии. Рассмотрены задачи, решаемые на отдельных стадиях проектирования и подходы к их решению. Выделена роль и место стандартизации как основного метода обеспечения требований функциональности и безопасности объекта проектирования. Приведена классификация документов, определяющих нормативно-правовую систему по регулированию деятельности в сфере проектирования и эксплуатации объектов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.
     Третья глава посвящена рассмотрению общих вопросов проектирования автоматизированных систем. Вводится понятие «автоматизированная система», проводится классификация автоматизированных систем и приведены подходы и правила проектирования автоматизированных систем различного назначения. В частности, приводится пояснение принципов разделения автоматизированных систем на системы «нижнего» и «верхнего» уровня управления. Для проектов каждого уровня управления рассмотрен состав, порядок разработки проекта. Приводятся основные правила и нормативы выполнения отдельных разделов (документов) проектов систем автоматизации, рассмотрены требования к оформлению проектной документации.
     В четвертой главе рассматриваются правила проектирования автоматизированных систем взрывоопасных объектов, приведена классификация категорий взрывоопасности объектов в соответствии с правилам безопасности. Описаны требования к обеспечению безопасности ОПО средствами автоматизации, к энергообеспечению систем автоматизации и к техническим устройствам систем автоматизации взрывоопасных объектов. На основе анализа действующих норм и правил проектирования взрыво- и пожароопасных производств представлены требования к технической реализации автоматизированных систем.
     В пятой главе рассматриваются вопросы обеспечения безопасности взрывоопасных производств автоматизированными системами. Приводятся основные показатели, по которым оценивается надежность автоматизированных систем, способы их расчета. Рассмотрены вопросы определения интегрального уровня полноты безопасности контуров противоаварийной защиты и подходы к определению требований к уровню полноты безопасности, определяемые факторами опасности производств.
     Благодарности. Автор выражает благодарность и глубокую признательность профессору, доктору технических наук Веревкину Александру Павловичу за оказанную поддержку, ценные рекомендации и помощь в подготовке материалов.

7

1. Характеристика автоматизированного технологического комплекса
1.1. Автоматизированные технологические комплексы как сложные системы
1.1.1. Основные принципы системотехники при разработке сложных систем
     Автоматизированные технологические комплексы (АТК) - это совокупность технологического объекта управления (ТОУ) (в общем случае он может состоять из нескольких независимых подсистем с завершенным технологическим циклом) и управляющих (замыкающих) элементов, собственно автоматизированных систем (АС), взаимодействующих между собой по информационным каналам для обеспечения эффективной и безопасной работы ТОУ. В состав АТК входят АС различного класса сложности, которая определяется типом решаемых задач. Совокупность решаемых задач АТК определяют полный функционал автоматизированного комплекса, и характеризует его как сложную систему.
     Сложная система - это составной объект, части которого можно рассматривать как подсистемы, закономерно объединённые в единое целое в соответствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями.
     Для успешной разработки сложных систем во многих отраслях инженерного дела, и особенно в проектировании, широко используется системный подход [41, 46, 78, 79]. Применение системного подхода позволяет упорядочить работу над проектом.
     Системный подход - это подход, при котором любая система (объект) рассматривается как совокупность взаимосвязанных элементов (компонентов), имеющая выход (цель), вход (ресурсы), связь с внешней средой, обратную связь.
     Исходным положением системного подхода является представление о целостности изучаемой системы. Это предполагает, с одной стороны, наличие окружающей среды, а с другой - наличие внутренней структуры.
     Система состоит из отдельных элементов, между которыми имеются отношения и связи. Эти связи могут быть внутренними (только между элементами системы) и внешними (обеспечивающими связь системы с окружающей средой), и могут иметь различную природу - информационную, энергетическую, потоковую.
     Системный подход - это стратегия организации действий, который охватывает любой род деятельности, выявляя закономерности и взаимосвязи с целью их более эффективного использования. При этом системный подход является не столько методом решения задач, сколько методом постановки задач.
     Одним из направлений системного подхода является системотехника (англ. Systems Engineering) - научное направление науки и техники, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем большого масштаба, являющееся прикладной областью теории систем (см. приложение А) [38, 39, 54, 59, 78, 79].

8

     Специфичным признаком системы является иерархичность ее строения [46]. Иерархия - это определенный порядок расположения элементов в системе, например, от высшего к низшему или в порядке подчинения. В соответствии с иерархичностью строения система подразделяется на подсистемы, каждая из которых может делиться на более мелкие. Процесс разделения системы на элементы называют декомпозицией.
     Декомпозиция - это научный метод, использующий структуру большой задачи для ее решения путем решения серии меньших задач. Декомпозиция позволяет рассматривать характеристики сложной системы как совокупность характеристик составляющих ее элементов. Множества взаимодействующих составляющих (подсистем) придают эмерджентность системе, т. е. приобретение новых свойств, которые отсутствуют на подсистемном уровне, и которые не могут быть сведены к свойствам подсистемного уровня [8, 69, 77]. Процедура декомпозиции позволяет существенно облегчить решение задачи синтеза сложных системы.
     Для сложных систем характерна своеобразная организация проектирования в две стадии: макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы [38].
     Декомпозиция проекта должна рассматриваться в тесной связи с уровнем абстрагирования, т. е. определения конкретных параметров системы и аспектов, в отношении которых должно быть выполнено описание. Абстрагирование -отвлечение в процессе познания от несущественных сторон, свойств, связей объекта (предмета или явления) с целью выделения существенных, закономерных признаков. Существуют три основных вида описания сложных иерархических систем, характеризующихся уровнями абстрагирования по эшелону, страте, слою [5].
     Уровень абстрагирования эшелонов рассматривает структурное (организационное) разделение системы. Концепция абстрагирования по стратам предполагает декомпозицию описания системы в различных аспектах функционирования системы. Концепция абстрагирования по слоям применяется для вертикальной (иерархической) декомпозиции принятия решений в системе на разных уровнях иерархии.
     Однозначного соотношения между стратами, эшелонами и слоями не существует. Функции нескольких эшелонов могут быть описаны на одной и той же страте, в то время как решаемая задача на данном слое может быть распределена между несколькими эшелонами системы. Более того, задание для эшелона может содержать элементы проблем, принадлежащих не к одному слою, а к ряду слоев решаемой проблемы.

        1.1.2. Структурнаядекомпозиция систем (эшелонирование)

     Эшелон - организационный уровень описания иерархии системы. Это понятие иерархии подразумевает, что:

9

    1) система состоит из семейства выделенных взаимодействующих подсистем;
    2) некоторые из подсистем являются элементами, принимающими решения;
    3)     принимающие решения элементы располагаются иерархически, т. е. некоторые из них находятся под влиянием или управляются другими решающими элементами.
     В многоэшелонных системах элементы верхнего уровня хотя и обуславливают целенаправленную деятельность элементов нижних уровней, но в выборе решений нижних уровней есть некоторая свобода.
     При структурной декомпозиции система последовательно разбивается на ряд обособленных частей (блоков). При этом возникает возможность раздельного (поблочного) проектирования объекта. Например, нефтехимическое предприятие состоит из N производств (Производство 1, ..., Производство N), каждое из которых содержит М цехов, цех включает в себя К технологических установок, каждая из которых содержит L технологических агрегатов (Ai, А2, ... Alk) (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Структурная декомпозиция предприятия

      Процесс декомпозиции обычно заканчивается уровнем, на котором сохраняются черты системы. В рассмотренном примере декомпозиция технологических агрегатов на отдельные элементы, с точки зрения проектирования предприятия, не целесообразна, а имеет смысл, например, при конструировании таких агрегатов.
      Другим примером эшелонированного представления является организационная структура предприятия (рисунок 1.2). Здесь в качестве элементов системы выступают отдельные организационно-структурные элементы системы, каждый из которых расположен на определённом уровне иерархии сложной системы.
      Характерным примером структурной декомпозиции при разработке проекта является разделение проектной документации на отдельные разделы -монтажно-технологический, архитектурно-строительный, автоматизация технологических процессов и т. д. (понятие и состав проектной документации будут рассмотрены в главе 2). Такая структурная декомпозиция определяет, в свою очередь, специализацию разработчиков при проектировании, что отражается на организационной структуре проекта. Данный пример является также


10

иллюстрацией того, как структурная декомпозиция проекта, определяет организационную структуру процесса разработки этого объекта.


Рисунок 1.2. Организационная структура предприятия


        1.1.3. Декомпозиция по уровню описания сложных систем (стратифицирование)

     При описании сложной системы требуется найти компромисс между простотой описания и необходимостью учета поведенческих особенностей сложной системы, то есть требуется адекватное описание, которое, с одной стороны, должно быть полным и всеобъемлющим, а с другой - достаточно простым и доступным для понимания. Задача составления описания сложной системы решается иерархически, когда система представляется семейством моделей, каждая из которых описывает характеристики системы с точки зрения различных уровней абстрагирования. Совокупность моделей образуют полную информационную модель системы. Иерархическая структура такого описания обуславливает простоту и компактность описания на верхних уровнях иерархии, и дает общее представление о системе, например, о функциональном назначении системы, и рост сложности описания и информационной насыщенности на нижних уровнях информационной модели. Примером такого иерархического описания системы является двухстадийная разработка проекта (рисунок 1.3). В свою очередь, каждая стадия информационной модели может быть представлена в развернутой форме описания заданных свойств, характеризующих систему в том или ином аспекте.
     Такую концепцию иерархического описания называют «стратифицированная система» или «стратифицированное описание», а уровни абстрагирования называют «стратами».


11

Рисунок 1.3. Иерархическая структура информационного описания

     На каждой страте может быть выделен собственный алфавит символов, который позволяет в значительной степени ограничить и упростить описание только одной страты. Отдельные страты не являются полностью изолированными, так как не могут давать представление и понимание системы в целом (нельзя ограничиться, например, исследованием человека только с биологической точки зрения).
     Некоторые общие характеристики стратифицированного описания систем:
     1       Определение страт зависит от целей и назначения описания системы, т. е. в каких аспектах система должна быть описана, и как должно использоваться описание.
     2       Алфавит, принципы и законы, используемые для описания характеристик системы на любой страте, в общем случае, не могут быть выведены из принципов, используемых на других стратах, т. е. эти атрибуты уникальны для каждой страты.
     3       Требования, предъявляемые к системе на старшей страте, выступают как условия или ограничения для нижестоящих страт.
     4       Страты нижнего уровня иерархии содержат более детальное описание системы, с ростом уровня иерархии смысл и значение всей системы становится более явным.
     Стратифицированное описание АСУ ТП может быть представлено следующими уровнями описания:
     1) общесистемное обеспечение;
     2)  организационное обеспечение;
     3) техническое обеспечение;
     4)  информационное обеспечение;
     5) математическое обеспечение;
     6) программное обеспечение.
     Общесистемное обеспечение содержит описание назначения системы, выполняемые функции, цели функционирования, степень полезности, критерии оценки технико-экономических показателей (ТЭП).

12