Повышение эффективности АСУ противопожарной защитой АЭС на основе совершенствования средств обнаружения пожара

Актуальность и степень научной проработки темы исследования.

Промышленные объекты ядерной энергетики имеют высокую потенциальную опасность, связанную с возможностью массового поражения людей в случае возникновения крупных аварий и пожаров. Авария и пожар на Чернобыльской АЭС явились убедительным подтверждением того, что недостаточная защищенность таких объектов приводит к губительным последствиями для населения не только конкретного региона, на территории которого расположен аварийный объект, но и огромных окружающих территорий. Поэтому повышение пожарной безопасности АЭС является одним из наиболее важных направлений обеспечения безопасности не только данных промышленных объектов, но и техносферы в целом.

Статистика пожаров, взрывов и других аварий на АЭС показывает, что пожарная безопасность АЭС не удовлетворяет современным требованиям,! предъявляемым к безопасности АЭС в целом. Интенсивность возникновения пожаров на АЭС значительно выше, чем интенсивность возникновения других аварийных ситуаций, таких, как, например, разгерметизация первого контура, паропровода или трубопровода питательной воды и др. Согласно имеющимся данным, на АЭС мира происходит от 35 до 50 пожаров и взрывов в год. Эта статистика свидетельствует о том, что обнаружение пожаров и взрывов на АЭС является недостаточно эффективным.

Таким образом, в настоящее время существует настоятельная необходимость совершенствования интеграции АСУТП предприятий атомной энергетики с системами противопожарной защиты, что и определяет актуальность диссертационной работы.

В предыдущие годы при решении проблемы автоматизации систем пожарной безопасности АЭС основное внимание уделялось, как правило, автоматизации пожарной охраны. В настоящее время сложились предпосылки для автоматизации системы пожарной безопасности всей совокупности промышленных объектов АЭС на основе интеграции ее с другими системами управления.

Повышение пожарной безопасности АЭС требует использования новых организационных, информационных и коммуникационных технологий, реализуемых на современных программно-технических средствах сбора, передачи, обработки и отображения информации, использования новых технических средств обнаружения пожара, его локализации и тушения, защиты людей, сооружений и окружающей среды.

Вопросам интеграции различных АСУ посвящено большое количество опубликованных работ. Однако разработка теоретических основ создания интегрированных систем безопасности и технического жизнеобеспечения промышленных объектов началась сравнительно недавно (первые публикации появились в начале 90-х годов прошлого века). Значительный вклад в этом направлении внесли российские ученые Топольский Н. Г., Блудчий Н. П., Федоров А. В., Иванников B. JL, и др. Вместе с тем, доля научных публикаций в области повышения эффективности интегрированных АСУПЗ на промышленных объектов в общем количестве публикаций пока незначительна. До настоящего времени не рассмотрены важные вопросы повышения эффективности технических средств пожарной сигнализации интегрированной АСУПЗ с учетом специфики технологического процесса на нем, модульного построения подсистемы сбора и обработки тревожной информации.

Объектом исследования является АСУПЗ АЭС, а предметом исследования — процесс создания и функционирования модульных систем сбора и обработки данных в АСУПЗ.

Целью диссертационной работы является разработка научно-технических основ повышения эффективности АСУПЗ промышленных объектов АЭС на основе совершенствования средств сбора и обработки данных о пожарном состоянии объекта. Достижение цели исследования позволит на основе научно обоснованной технической разработки обеспечить решение важной для экономики прикладной задачи — повышение пожарной безопасности промышленных объектов АЭС.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

— анализ современного состояния АСУПЗ АЭС и входящей в ее состав системы сбора и обработки данных о пожарном состоянии объекта;

— разработка и анализ математической модели эффективности АСУПЗ с учетом динамических характеристик функционирования составляющих ее подсистем;

— синтез модульной структуры построения системы сбора и обработки данных, а АСУПЗ;

— разработка математических моделей обнаружения пожара точечными пожарными извещателями при использовании дополнительных информационных признаков;

— разработка алгоритмов функционирования и структурных схем пожарных извещателей с повышенной эффективностью обнаружения пожара.

Для решения указанных задач были использованы следующие основные методы исследований: системный анализ, теория вероятностей и математическая статистика, методы математического моделирования и анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана математическая модель, характеризующая зависимость прямого ущерба от параметров функционирования подсистем, составляющих АСУПЗ. На основе анализа этой модели определены условия, которые определяют экономическую эффективность повышение быстродействия подсистем пожарной сигнализации АСУПЗ потенциально опасных объектов;

— теоретически обоснована возможность и основные направления совершенствования средств обнаружения пожара при использовании дополнительных информационных признаков;

— разработан алгоритм функционирования и структурная схема точечного теплового пожарного извещателя с повышенной стабильностью инерционности обнаружения пожара;

— разработан алгоритм функционирования и структурная схема комбинированного тепло-дымового пожарного извещателя с уменьшенной инерционностью обнаружения пожара.

Практическая ценность и значимость работы заключается в следующем:

— разработано и защищено патентом на изобретение № 2 275 687 Российской Федерации устройство теплового пожарного извещателя, в котором достигается стабилизация инерционности при изменении температуры окружающей среды;

— разработано и защищено патентом на изобретение № 2 275 688 Российской Федерации устройство комбинированного пожарного извещателя с повышенной надежностью обнаружения пожара;

— разработана методика выбора точечного теплового пожарного извещателя по температуре срабатывания.

— разработана методика расчета параметров тепловых преобразователей пожарного извещателя.

Основные результаты работы отражены в опубликованных статьях, докладах на международных и отечественных научно-практических конференциях.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:

Результаты диссертационной работы использованы:

— в научных исследованиях Академии ГПС МЧС России по совершенствованию подсистем пожарной сигнализации АСУПБ АЭС;

— при разработке перспективных извещателей пожарной сигнализации ЗАО «Аргус — Спектр М» г. Москва;

— в плане модернизации систем автоматической пожарной сигнализации Ленинградской АЭС;

— в учебном процессе в Академии ГПС МЧС России при подготовке специалистов пожарной безопасности.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 2 индивидуальных. Получено два патента Российской Федерации на изобретение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на восьми следующих конференциях: научно-технических конференциях «Системы безопасности» (Москва, АГПС МЧС России, 2003,2004,2005 гг.) — научно-практической конференции «Пожарная безопасность XXI века» (Москва, ВВЦ, 2005 г.);

XIX научно-практической конференции «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков» (Москва, ВНИИПО МЧС России, 2003, 2005 гг.);

International Workshop «Built Heritage: Fire Loss to Historic Buildings» (Varna, 2004 r);

Халкаро мутахассислар иштирокидаги Илмий амалий конференция материаллари (Ташкент, 2003 г).

На защиту выносятся:

— математическая модель эффективности функционирования АСУ противопожарной защитой АЭС, характеризующая зависимость прямого ущерба от характеристик обнаружения подсистемы пожарной сигнализации;

— математические модели обнаружения пожара извещателем с использованием дополнительных информационных признаков;

— алгоритмы функционирования и структурные схемы теплового и комбинированного точечных пожарных извещателей с улучшенными характеристиками обнаружения пожара.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объём диссертации: 162 страницы текста с 14 таблицами и 38 рисунками и списка литературы из 117 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

1. Одним из эффективных методов совершенствования технических средств обнаружения пожара является использование дополнительных информационных признаков. В результате математического анализа определено, что такими признаками могут быть начальное (исходное) значение контролируемого фактора, скорость, ускорение, а также нестабильность его изменения в начальной стадии пожара, характеризуемая наличием высших производных функции временного изменения фактора.

На конкретном аналитическом примере показано, что увеличение скорости и ускорения изменения как задымленности, так и температуры происходит значительно раньше, чем увеличение абсолютного значения каждого из факторов. Таким образом, использование дополнительных информационных признаков позволяет уменьшить время обнаружения пожара или повысить достоверность его обнаружения на ранней стадии развития.

2. В результате анализа принципов построения и алгоритмов функционирования извещателей охранно-пожарной сигнализации, использующих несколько информационных признаков для принятия решения о тревожной ситуации на объекте определено, что наиболее перспективным направлением является применение мажоритарной логики с учетом вероятностных характеристик появления факторов (признаков) пожара. Вероятностно-статистический анализ показывает, что при этом целесообразно использовать метод изменения порогов принятия решения о критической величине одного признака в зависимости от значений других признаков.

3. На основе предложенного методического подхода разработана структурная схема и алгоритм функционирования теплового пожарного извещателя, обладающего повышенной стабильностью его инерционности, достигаемой за счет адаптации температуры срабатывания при медленном изменении температуры окружающей среды в отсутствие пожара. Данная положительная характеристика получена за счет введения дополнительной зависимости порога срабатывания извещателя от значения средней (исходной) температуры окружающей среды.

4. В результате анализа разработки и производства комбинированных пожарных извещателей в нашей стране и за рубежом установлено, что при объединении двух или более каналов обнаружения возможны различные алгоритмы обработки получаемой информации и принятия решения о появлении пожара. Наиболее распространенным является вариант, когда каналы являются независимыми друг от друга, а их выходные сигналы объединяются по логической схеме «ИЛИ». Такая простая логика не позволяет использовать все возможности, которые дает комбинация.

5. Разработана структурная схема и алгоритм функционирования комбинированного тепло-дымового пожарного извещателя, обладающего повышенной надежностью обнаружения пожара на его ранней стадии развития. Анализ особенностей функционирования такого извещателя показал, что в результате введения взаимного снижением порогов при появлении двух факторов пожара, то есть совместном учете этих факторов, достигается уменьшение времени обнаружения пожара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате комплекса теоретических и научно-технических работ, выполненных в рамках диссертации, осуществлена научно-обоснованная техническая разработка, обеспечивающая решение важной для экономики прикладной задачи повышение эффективности АСУПЗ АЭС на основе совершенствования технических средств обнаружения пожара.

Основные научные результаты, выводы и предложения, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, сводятся к следующему:

1. АЭС как промышленный объект, имеющий в своем составе особо опасное производство, является потенциально опасным объектом, на котором может возникнуть угроза возникновения чрезвычайной ситуации. Анализ пожарной опасности АЭС показал, что одной из вероятных причин возникновения такой ситуации может быть пожар из-за наличия значительной пожарной нагрузки и сложного технологического процесса производства, требующего использования специального оборудования и систем управления им.

В частности устройства автоматики АЭС, использующие в своем составе электротехнические и электронные изделия, являются потенциально пожароопасными. Пожар может возникнуть в результате отказа, вызывающего нагревание поверхности электроустановки, появление открытого пламени или дугового разряда.

2. С целью обеспечения пожарной безопасности на АЭС создаются специальные системы пожарной безопасности, интегрированные с системами АСУТП, физической защиты, жизнеобеспечения и др. Одной из важных составных частей АСУПЗ является подсистема пожарной сигнализации, основной задачей которой является своевременное и достоверное обнаружение пожара.

3. Анализ современных способов формирования АСУПЗ сложных промышленных объектов, а также результатов исследований в этой области ведущих специалистов показывает, что наиболее перспективным является широкое использование на АЭС локальных автоматизированных подсистем пожарной безопасности, иерархически связанных с помощью многофункциональной кабельной подсистемы, имеющей распределенно-древовидную структуру построения.

4. Проведенное исследование современного состояния средств обнаружения пожара, используемых на АЭС показал, что системы пожарной сигнализации в ряде случаев нуждаются в существенной модернизации и, в частности, в замене морально устаревших извещателей. Существенное повышения эффективности АСУПЗ может быть достигнуто на основе использования при создании систем пожарной сигнализации современных достижений технического прогресса, а также специальных исследований и разработок в направлении совершенствования технических средств обнаружения пожара.

5. Предложенный метод оценки экономической эффективности системы противопожарной защиты позволяет на основе выбранной системе количественных оценок определить условия и степень влияния пожарной сигнализации на эффективность СПЗ.

Примеры практических расчетов показывают, что время достоверного обнаружения очага пожара является одним из важных параметром, определяющих эффективность функционирования АСУПЗ.

6. В результате исследований установлено, что одним из наиболее перспективных направлений создания интегрированных АСУПБ является применение локальных модульных АСПЗ, предназначенных для автоматизированного и автоматического обеспечения противопожарной защиты отдельных технологических устройств объекта.

Совокупность локальных модульных АСППЗ должна интегрироваться между собой, а также с другими подсистемами в единую АСУПЗ с помощью программируемых логических контроллеров на основе древовидной структуры построения.

Синтезированная с использованием указанных структура технических средств АСУПЗ отвечает современным принципам создания АСУ потенциально опасных объектов при условии использования надежной аппаратурной базы.

7. Анализ состояния рынка средств пожарной сигнализации показал, что за последние 8 лет наблюдается существенное усиление позиций отечественных производителей. В области ПКП увеличилось количество приборов большой информационной емкости, составляющих основу интегрированных систем безопасности.

По количеству представленных типов средств обнаружения пожара преобладают дымовые и тепловые ПИ, при этом значительную долю составляют адресные и адресно-аналоговые извещатели. Вместе с тем по этим видам ПИ номенклатура, а также показатели эффективности обнаружения отечественных извещателей пока существенно отстают от зарубежных. Причиной этому является недостаточный уровень наукоемкости отечественных средств пожарной сигнализации.

8. Проведенные патентные исследования позволили определить мировые тенденции развития техники пожарной сигнализацию. Полученные результаты свидетельствуют о росте числа изобретений в целом на технические средства обнаружения пожара и, в частности по группам тепловых и дымовых извещателей. При этом основным направлением патентования дымовых и тепловых устройств обнаружения пожара является совершенствования принципа действия и методов обработки сигнала. Выделяется группа комбинированных устройств, использующих нескольких сопутствующих признаков пожара для повышения достоверности обнаружения.

9. Одним из эффективных методов совершенствования технических средств обнаружения пожара является использование дополнительных информационных признаков. В результате математического анализа определено, что такими признаками могут быть начальное (исходное) значение контролируемого фактора, скорость, ускорение, а также нестабильность его изменения в начальной стадии пожара, характеризуемая наличием высших производных функции временного изменения фактора.

На конкретном аналитическом примере показано, что увеличение скорости и ускорения изменения как задымленности, так и температуры происходит значительно раньше, чем увеличение абсолютного значения каждого из факторов. Таким образом, использование дополнительных информационных признаков позволяет уменьшить время обнаружения пожара или повысить достоверность его обнаружения на ранней стадии развития.

10. В результате анализа принципов построения и алгоритмов функционирования извещателей охранно-пожарной сигнализации, использующих несколько информационных признаков для принятия решения о тревожной ситуации на объекте определено, что наиболее перспективным направлением является применение нежесткой логики с учетом вероятностных характеристик появления факторов (признаков) пожара. При этом целесообразно использовать метод изменения порогов принятия решения о критической величине одного признака в зависимости от значений других признаков.

11. На основе предложенного методического подхода разработана структурная схема и алгоритм функционирования теплового пожарного извещателя, обладающего повышенной стабильностью его инерционности, достигаемой за счет адаптации температуры срабатывания при медленном изменении температуры окружающей среды в отсутствие пожара. Данная положительная характеристика получена за счет введения дополнительной зависимости порога срабатывания извещателя от значения средней (исходной) температуры окружающей среды.

12. В результате анализа разработки и производства комбинированных пожарных извещателей в нашей стране и за рубежом установлено, что при объединении двух или более каналов обнаружения возможны различные алгоритмы обработки получаемой информации и принятия решения о появлении пожара. Наиболее распространенным является вариант, когда каналы являются независимыми друг от друга, а их выходные сигналы объединяются по логической схеме «ИЛИ». Такая простая логика не позволяет использовать все возможности, которые дает комбинация.

13. Разработана структурная схема и алгоритм функционирования комбинированного тепло-дымового пожарного извещателя, обладающего повышенной надежностью обнаружения пожара на его ранней стадии развития. Анализ особенностей функционирования такого извещателя показал, что в результате введения взаимного снижением порогов при появлении двух факторов пожара, то есть совместном учете этих факторов, достигается уменьшение времени обнаружения пожара.