Оценка уровня квалификации операторов грузовых систем нефтегазовых терминалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.123.56.06

ОЦЕНКА УРОВНЯ КВАЛИФИКАЦИИ ОПЕРАТОРОВ ГРУЗОВЫХ СИСТЕМ

НЕФТЕГАЗОВЫХ ТЕРМИНАЛОВ

© 2005 г. С.В. Маценко, Д.В. Казунин

Современный береговой терминал для обработки нефтепродуктов представляет собой многофункциональный комплекс, состоящий из десятков емкостей, соединенных трубопроводами общей длиной в несколько сотен километров. Грузовые операции производятся диспетчерами (Cargo Master), задача которых заключается в одновременном управлении сдачей и приемом груза c нескольких танкеров, подготовкой резервуарного парка к технологическим и грузовым операциям. Ошибка или неправильное действие оператора может привести к серьезной аварии, которая может стать причиной экологической катастрофы регионального масштаба.

Обучение диспетчеров (Cargo Master) грузовых систем нефтяных терминалов производится на специализированном компьютерном тренажерном оборудовании, которое имитирует экранные консоли управления и описывает поведение оборудования с помощью математических моделей [1]. Модель построена на базе характеристик оборудования и механизмов, что позволяет адекватно воспроизводить реакцию системы на управляющие воздействия оператора. Элементы системы и экран компьютерного управления представлены на рис. 1.

Рис. 1. Пример панели управления системами тренажера нефтяного терминала

В настоящее время оценка квалификации обучающихся производится на основании субъективного мнения инструктора, которое формируется в ходе выполнения упражнения. Во время занятия инструктор следит за правильностью действий обучаемого и корректирует их в случае необходимости, а сам тренажер снабжен функцией автоматического прерывания упражнения в случае серьезных поломок или на-

рушений правил эксплуатации. В конце занятий в случае успешного завершения упражнения диспетчеру выставляется оценка в зависимости от количества допущенных ошибок, установленного инструктором лимита времени и с учетом того, была ли аварийная ситуация автоматически прервана самим тренажером.

В последнее время заказчики тренажерного оборудования в ряде стран Южноазиатско-тихоокеанского региона внесли предложение внедрить для обучения диспетчеров средства объективной оценки компетентности как студентов, так и уже работающих в отрасли специалистов. Существующая в мировом тренажеростроении система аттестации непригодна для выполнения таких задач, как анализ эффективности грузовых операций, способ определения правильности выбора набора работающего оборудования и малопригоден для решения оптимизационных задач по времени выполнения грузовых операций.

В настоящей статье приводится описание разработанной авторами комплексной системы определения уровня квалификации операторов грузовых систем терминалов по обработке нефти и нефтепродуктов, которая включает экономическую оценку управляющих воздействий и оценку правильности загрузки технических средств терминала. Учебная методика с незначительными доработками может использоваться и на реальных нефтеперегрузочных комплексах в качестве системы мониторинга параметров оптимальной работы.

Экономическая оценка позволяет определить затраты на выполнение операций и их изменение при разных режимах работы системы.

Критерий экономической оценки эффективности работы трубопроводной сети по своим задачам близок к критерию выбора оптимального путевого расхода топлива, разработанного С.В. Камкиным [2]. Однако наш критерий относится к трубопроводной сети и включает постоянные затраты на тонну перекачиваемого груза и динамические потери на трение по квадратичной зависимости. Суперпозиция двух кривых дает кривую с четко выраженным минимумом, положение которого зависит от ряда эксплуатационных факторов. Набор оборудования, находящегося в работе, будет формировать уступы на этой кривой, а характер кривых будет меняться в зависимости от режимов их работы. Подобное поведение оборудования и сети будет формировать неоднозначные тренды прогнозов, что, по мнению авторов, будет особенно важно для малоподготовленного персонала.

На рис. 2 представлены графики изменения затрат на транспортировку груза на учебном терминале с учетом выбранных тарифных планов.

"ig

Q

сл £

S

[2 о

позволяет оценивать навыки обучаемого по грамотной технической эксплуатации установленного оборудования. Для этого производится расчет показателей безопасности работы насосной установки, в ходе которого вычисляются следующие величины.

Производительность насосной установки (НУ):

е .

1

Энергия давления жидкости на выходе из /-го насоса определяется из уравнения его гидравлической характеристики

^ = aQ + bQm + crf + —,

Pg Pg

(1)

Рис. 2. Зависимость эксплуатационных расходов

на грузовые операции от их от производительности

На графике по оси абсцисс представлена производительность грузовых операций, а по оси ординат -стоимость эксплуатационных расходов на их проведение. Показаны следующие зависимости:

- кривая 1 выражает потери на трение при перекачке груза с установленной производительностью, которая корректируется с учетом эксплуатационных расходов судна на проведение грузовых операций и тарифных планов;

- кривая 2 - зависимость эксплуатационных расходов терминала на проведение грузовых операций, отнесенная к тонне перекачиваемого груза (складывается из затрат на постоянно работающее оборудование, освещение и оплату обслуживающему персоналу);

- кривая 3 - полученная в результате сложения кривых 1 и 2 функция оптимального распределения расходов на проведение грузовых операций.

Таким образом, задача оператора - обеспечить работу грузовых средств в районе оптимальной точки Р (рис. 2). Однако следует отметить, что ни время, ни количество затраченных ресурсов не могут служить однозначным критерием оценки компетентности оператора терминала. Поэтому дополнительно применяется интегрированная оценка правильности используемого режима работы, которая положена в основу методики оценки компетентности. Разработанная авторами методика функционирует следующим образом.

Через промежутки времени (10 с) с использующихся в количестве / грузовых насосов считываются параметры работы:

- давление нагнетания рн({),

- давление всасывания рв(,),

- частота вращения п,

- подача

В рассматриваемой математической модели грузовых систем терминала впервые применен механизм имитации эксплуатационного износа насосов, трубопроводов и других элементов грузовой системы. Это

где рн/ и рв/ давление нагнетания и всасывания насоса соответственно; р - плотность жидкости.

Энергия давления жидкости в условной точке соединения трубопроводов (совместной точке) Щ определяется как наименьшая из величин, вычисленных по формуле (1).

Приведенные коэффициенты зависимости энергии давления в совместной точке от подачи насоса

Аг = аг -Aai; Вг = ьгпг;

C = crf + ^ Pg

(2)

где Ааг =

(

--H

Pg

f

- поправка, учитывающая

потери напора в нагнетательных трубопроводах насосов.

Максимально допустимая энергия давления жидкости в условной совместной точке Н ну определяется как наименьшая из рассчитанных в п.6.

Коэффициент безопасности работы НУ

(

H =

H ну - Н f,

\

H н

100 %.

(3)

Критическое давление всасывания /-го насоса:

Рвкр(/) =Мдоп(,Р - ^ГТГ + Рп , (4)

п а

где рп - давление насыщенных паров груза; ААдоп(,) -допустимый кавитационный запас (определяется по характеристике насоса).

Относительное превышение давления всасывания /-го насоса над критическим давлением

АР в(г) =

( Рвкр(г) - Рв' ^

100%.

(6)

Производится анализ безопасности работы установки по полученным значениям. Работа НУ считается безопасной, если полученные в (4) и (5) значения

Н и Ар в(/) составляют величину более 3 %.

На рис. 3 показано, что при низких значениях коэффициента безопасности один из работающих насосов может оказаться в аварийном режиме «запирания» (работа с нулевой подачей). Одновременно с этим необходимо выполнение условия Аp^ > 3 %, которое обеспечивает бескавитационную работу грузовых насосов.

(lgDlnp - 0,172)

где Б1пр = 4,3 -10 3— - условный диаметр вала при-п

вода.

Объемный КПД г-го насоса на расчетном режиме: = П о/ (7)

П о0 =

"П гоП»

где п м0 = 0,98 - механический КПД насоса на расчетном режиме.

Теоретический напор и теоретическая подача насоса на расчетном режиме

H Т0 = H о/п Г0 , QТ0 = Qо/П о0 •

(8)

Окружная скорость на выходе из рабочего колеса

(РК)

nD 2П 0 60

(9)

Теоретический напор РК с бесконечно большим числом лопастей:

TT max 2

- u

2

(10)

H,

Qг Ql &

Производительность выгрузки, & Рис. 3. Оценка безопасности работы НУ по коэффициенту безопасности

Длительная эксплуатация оборудования на режимах, близких к аварийному, влияет на безопасность проведения грузовых операций в целом. Кроме того, такие режимы, как и режимы кавитационные, приводят к значительному износу оборудования. Именно поэтому продолжительная эксплуатация оборудования оператором с малыми значениями Н и Ар^ приводит к существенному снижению суммарной оценки его компетентности.

Целью следующего этапа расчетов является определение, насколько эффективный режим выбран оператором для выполнения перегрузочных работ. Для вычисления показателей эффективности работы НУ авторами разработан оригинальный алгоритм, который позволяет определить объемный и гидравлический КПД установки по параметрам расчетного (паспортного) режима каждого насоса. Ниже приводится описание основных этапов расчета эффективности.

Определяем коэффициенты при уравнении теоретической характеристики каждого насоса при расчетной частоте вращения.

Гидравлический КПД /-го насоса на расчетном режиме:

1 0,42 П Г0 = 1--—, (6)

Теоретический напор РК с конечным числом лопастей

Hmax T

(11)

где ц = 0,7 - коэффициент учета конечного числа лопастей.

Теоретическую характеристику насоса опишем линейным уравнением

п п 2

Нт = х—т + у

т ■ s 2 n ma

Тогда коэффициенты уравнения теоретической характеристики насоса определятся так:

max

х - H Т0 Т y - Н™\

Q

(12)

T0

Поясним суть используемых в алгоритме уравнений с помощью графических построений (рис. 4). В условиях эксплуатации грузовой насос может работать по любой из точек, лежащих на его характеристике H=ДQ), при этом теоретические параметры его работы определяются одной из точек, лежащих на его теоретической характеристике Нт =ЛОт).

Для точки С: НА нс _ НАТ нст

Для то чаи D: НА Hd = Ндх нот

HI=f(QI)

Вт

Подача насоса, Q

Рис. 4. Определение КПД насоса по теоретическим и расчетным параметрам

При работе в точке А (рис. 4) подача равна нулю, следовательно, в насосе не происходит гидравлических потерь, обусловленных трением движущейся жидкости в насосе, и гидравлический КПД равен нулю, при этом п=П оП м . С другой стороны, при работе насоса в точке В с нулевым значением напора, в

u-, -

2

насосе не происходит объемных потерь, обусловленных перетеканием части жидкости на всасывание из-за разности давлений на входе и выходе жидкости из рабочего колеса, при этом п = ПГПм . Следовательно, при работе насоса между указанными двумя крайними точками соотношение гидравлических и объемных потерь может быть определено по отношению текущего напора насоса к максимальному (на рис. 4 показано для точек С и В). Это соотношение вычисляется в приводимой ниже последовательности.

Для каждого из насосов определяется относительное значение напора

Нг

= Н г/Н

тах(г) -

(13)

где Н

тах(г) С1 2

Теоретический напор /-го насоса при подаче

п п

Н'Тг = ^Q, + У 4

Теоретический напор /-го насоса

Нт/ = Нт/ "9Н (Нт/ "Н/). Теоретическая подача /-го насоса

Q Тг =

.2 Л

НТг - У-

Гидравлический КПД /-го насоса Н/

Н

Тг

Объемный КПД /-го насоса:

П о/ = %»'

КПД /-го насоса

П г =П г/ П о/П м/ • КПД насосной установки

Н е £

п ну = 3,

N n п

ну ну тах

(22)

V А о 'П 0

где Ы0 - мощность насоса на расчетном режиме.

Коэффициент рассогласования характеристик насосов (КРХ):

¥ =

Q1 - Q' Q 2 - Q' Qi - Q'

Q' Q' Q'

(23)

где 2' = 2Е// - подача каждого насоса при условии

согласования.

Полный КПД /-го насоса

п г =п г/п ог п м . Мощность приводов НУ

N = У^Н

1 прив (г) Аи |

n г

(24)

(25)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

где Пп , Пш и Пш - гидравлический, объемный и механический КПД /-го насоса.

На основании результатов расчета эффективности для каждого насоса вычисляются показатели работы НУ в целом.

Полезная мощность насосной установки

N ну =PgH е £ . (21)

Условная частота вращения насосной установки

В результате проведенных расчетов получают значения, которые позволяют провести анализ эффективности выполняемых операций. Для этого применяют следующий алгоритм.

Используя уравнения гидравлических характеристик насосов, проверяют возможность уменьшения числа работающих насосов вплоть до полной остановки всех насосов. Такой вариант возможен при выгрузке танкера, когда энергии, передаваемой жидкости судовыми насосами, достаточно для перекачки в береговые резервуары, при этом запуск подхватывающих насосов терминала является нецелесообразным. Для проверки определяется насос, имеющий наименьший КПД, а суммарная подача распределяется между оставшимися насосами. Определяется необходимая для ее обеспечения ЧВ:

п г =

-bQ W Ь?(в'г )2 - 4аг (Сг Q )2 - Н)

2а г

Если полученные значения не превышают максимальную ЧВ, требуемая подача может быть обеспечена меньшим количеством насосов. В этом случае полный КПД п/-1 и мощность приводов НУ Априв-1 после вывода из работы одного из насосов могут быть вычислены по формулам, аналогичным (24) и (25). Выполняется проверка полученного режима на эффективность:

Априв-1 (/) < Априв (/) . (26)

Если условие (26) выполняется, по выражениям (3) и (4) анализируется безопасность режима работы НУ после вывода из работы одного из насосов. Если эти условия удовлетворяются, текущий режим работы грузовой системы, выбранный оператором, признается неэффективным.

После этого проверяется возможность повышения эффективности грузовых операций за счет:

- увеличения числа работающих насосов вплоть до максимального количества насосов, установленных на терминале;

2

п

Р вс(г)

- повышения энергии давления жидкости -

РЯ

на входе в насос за счет подбора подключенных емкостей или изменения их количества. Для этого используются известные методы, основанные на уравнении Бернулли:

Р вс (г) Р 0 + 2 (1 +

-=-+ 2 0-( 1+Ч7Т-

РЯ РЯ 2я

включения или выключения подхватывающего (бус-терного) насоса;

- наиболее эффективным режимом считается выполнение грузовых операций с подачей инертного газа из грузовых танков судна при его погрузке, поэтому расчет выполняется именно при таких условиях;

- при выгрузке судна наиболее эффективная работа насосов достигается при поддержании минимального давления в емкостях терминала (40 мм в. ст.).

Расчет и анализ показателей полученных режимов выполняется аналогично первоначальному по формулам (1) - (25). В результате расчетов получается ряд значений мощностей приводов механизмов, который заносится в трехмерный массив. Режим работы грузовой системы, при котором обеспечивается наименьшее энергопотребление (NпрПв (г)), является оптимальным для обеспечения текущих производительности выгрузки и энергии давления жидкости, развиваемой грузовыми насосами. Если с помощью описанного выше алгоритма удается найти более эффективный режим, чем выбранный оператором, итоговая оценка компетентности снижается.

Другим критерием, определяющим уровень квалификации обучаемого, является время проведения грузовых операций, определяемое по формуле:

Т г = Т& £ ,

где Т - грузовместимость танкера.

Оптимальным временем грузовых операций является такое, когда все эксплуатационные расходы терминала на перекачку груза компенсируются оплатой судовладельца за стоянку танкера у терминала. Оптимальное время грузовых операций определяется решением системы уравнений, графическое представление которой дано на рис. 1:

Т орг

Т орг

K ГО + AK

Nпривп genbgenkHFO + GgasbgaskDO + k p

K ГО +AK доп

k„

тяжелого топлива, у.е./кг; ОЯС16. - производительность СИГ терминала, м3/ч; Ь. - удельный расход топлива газогенератора СИГ, кг/(м3 ч); кво - стоимость легкого топлива, у.е./кг; крег. - почасовая оплата персоналу терминала, у.е./ч; К ГО - себестоимость грузовых операций, у.е.; АК - чистая прибыль терминала за обработку танкера, у.е.; кегт - оплата судовладельца за стоянку танкера у терминала, у. е.; АК доп -

плата судовладельца терминалу за оказание дополнительных услуг (бункеровка судна, прием пресной воды, прием снабжения, услуги связи и др.), у.е.

Таким образом, оператор должен выбрать производительность грузовых средств таким образом, чтобы общее время выполнения операций соответствовало оптимальному. В этом случае плата судовладельца за стоянку танкера полностью компенсирует эксплуатационные затраты терминала и принесет некоторую прибыль АК . Если оператор выбрал завышенную производительность, терминал понесет неоправданные убытки, так как эксплуатационные расходы превысят полученные доходы. Если оператор занизил производительность, судовая администрация вправе заявить протест, и терминал также понесет дополнительные расходы на оплату штрафов.

Таким образом, обобщенный критерий квалификации обучаемого рассчитывается с учетом трех составляющих: безопасности, продолжительности и эффективности грузовых операций:

f

та, - 0,4

H - 3 + AP в(,)

H

- 3

А

Ap

в(0

+ 0,3-

- орг

т + т » — т

г opt г

+0,3

Nmm (г)

прив (г)

где п Яеп - КПД установленных на терминале дизель-генераторов; т орг - оптимальное время выполнения грузовых операций, ч; Ь Яеп - удельный расход топлива дизель-генераторов, кг/(кВт ч); кнро - стоимость

N Г)

прив (1)

при этом 0 <та г < 1.

По значениям та г выполняется построение диаграммы в процессе грузовых операций. Как в процессе, так и по завершении выполнения упражнения обучающийся в состоянии просмотреть «диаграмму компетентности». По завершении упражнения выставляется итоговая оценка, которая рассчитывается как среднее арифметическое значений та г , полученных в ходе упражнения, и представляет собой значение между 0 и 1 (либо выраженное в процентах). Оценка менее 0,3 определяет низкую квалификацию, оценка более 0,7 - высокую. Средняя квалификация определяется значениями в интервале между 0,3 и 0,7.

Расчет параметров повторяется по истечении задержки времени, длительность которой обусловлена динамикой изменения параметров работы механизмов. При незначительных изменениях задержка времени между расчетами максимальна. И наоборот, при значительных изменениях задержка времени назначается минимальной. Методика расчета временного интервала приведена полностью в [3].

+

Преимуществами разработанной авторами системы оценки компетентности персонала нефтяных терминалов над существующими являются:

- возможность выполнять как обучение слушателей без опыта работы на оборудовании терминала, так и проверку компетентности персонала, ответственно -го за грузовые операции;

- возможность проводить обучение операторов грузовых систем терминала методам эффективного проведения погрузки и выгрузки нефтеналивных судов;

- возможность решения задач по экспертной оценке эффективности грузовых операций.

Одним из этапов создания автоматизированной системы управления грузовыми стреловыми устройствами взаимодействующих судов [1] была разработка математической модели процесса переноса груза.

Для математического моделирования перегрузочный комплекс был представлен трехмассовой системой с упругими связями. В состав системы входят

Литература

1. Казунин Д.В. Тренажер терминала для обработки нефтепродуктов: Руководство обучаемого. // СПб., 2004.

2. Возницкий И.В., Шмелев В.П., Камкин С.В. Эксплуатация судовых дизелей. М., 1990.

3. Маценко С.В. Исследование гидравлических характери-

стик грузовых насосов крупнотоннажных танкеров и их оптимизация: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Новороссийск, 2004.

г.

приводные двигатели двух грузовых лебедок, два шкентеля и подвешенный груз.

На рис. 1 изображена расчетная схема перегрузочного комплекса.

Разработанный первый вариант математической модели представляет собой систему дифференциальных уравнений пятого порядка.

Х

Южный региональный центр доп. проф. образования НГМА, г. Новороссийск 17 февраля 2005

УДК (658.011.56:639.3):620.97

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА ГРУЗА МЕЖДУ СУДАМИ В МОРЕ

© 2005 г. Н.Г. Романенко

Рис. 1 Расчетная схема: М2, М3 - электромагнитные моменты двигателей; FR2, FR3 - реакции в шкентелях; Rb - радиус барабана; mg - масса груза; alfa (а) - угол между вертикалью и вторым шкентелем; gamma (у) - угол между шкентелями;

X, Y - оси координат; V, w - линейные и угловые скорости