Расширенная аннотация доклада на научно-технической конференции в г. Тамбове

Введение. Качество продукции химического машиностроения и технологических систем, созданных из оборудования согласно технологической схеме, является основным, если не единственным, показателем разработки и создания. В понятии «качество» императивную роль играет надежность объекта (надежностью называется работоспособность объекта во времени). А работоспособность - это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской документации. (ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Термины и определения») Получилась схема:

Качество ⇔ надежность ⇔ работоспособность,

в которой, согласно авторитету ГОСТа, ключевым понятием являются параметры состояния оборудования и технологического потока в химической установке. Следовательно, сутью концепции надежности химико-технологических систем (или просто ХТС) является множество заданных параметров этой системы: если хоть один заданный параметр ХТС вышел из разрешенного диапазона отклонения от номинального значения, то система объявляется не работоспособной, пришедшей в состоянии отказа. В противном случае - установка работоспособна.

Источниками заданных параметров химико-технологической системы (см. определение работоспособности) являются:

  1. Химики-технологи, которые указывают условия проведения химических и фазовых превращений во всех переделах технологии (давление, температура, концентрации реагентов, состояние катализаторов и т.д.).
  2. Специалисты по процессам переноса, которые определяют гидродинамические, тепло-массообменные обстоятельства, при реализации которых можно осуществить требования технологов.
  3. Технические условия (ТУ) эксплуатации заводов-изготовителей на оборудование, в геометрическом объеме которого и реализуются химические превращения и процессы переноса.

Количественную меру работоспособности (а в пределе и надежности) химико-технологической системы вводим следующим образом. Практика показывает, что на всех жизненных стадиях химико-технологическая система от пробирочных исследований до демонтажа промышленная установка находится в море случайных воздействий, возмущений со стороны внешнего мира. Часть из них генетически заложена в систему в процессе разработки, а другая часть - случайные процессы. Следовательно, работоспособность, как состояние системы, - случайна по самой сути вещей. И ей можно и нужно присвоить количественную меру - вероятность работоспособности.

В теории надежности вероятность работоспособности еще называют вероятностью параметрической надежности, подчеркивая то обстоятельство, что речь идет о параметрах состояния системы, и это для химической установки является органически присущей характеристикой.

По математическому смыслу вероятность работоспособности представляет собой долю работоспособных технологических установок среди всех тиражированных, а для инвестора, давшего деньги на создание такой установки, это вероятность возврата кредита с процентами в срок.

Метод анализа, проверки работоспособности химико-технологических систем.

Цель метода анализа, проверки работоспособности:

  1. Расчет оценки вероятности работоспособности ХТС.
  2. Разработка рекомендаций по увеличению вероятности работоспособности ХТС.
  3. Расчет средне-годовой себестоимости продукции химико-технологической установки с учетом работоспособности.

Место применения метода анализа, проверки работоспособности:

  1. Процесс разработки новых технологий.
  2. Предпроектная стадия создания химико-технологической системы.
  3. Модернизация действующих и реанимация остановленных ХТС.
  4. Реклама и/или участие в конкурсе инвестора на создание ХТС.
  5. Пуско-наладочные работы.
  6. Разработка иерархической системы автоматического управления химическими производствами.

Предпосылки метода:

  1. Производство регулярно, планомерно в соответствии с технологическим регламентом снабжается сырьем, энергией нужного количества и качества, рабочей силой, транспортом, запасными частями и материалами для всех видов ремонта. Следовательно, простоев химико-технологической установки из-за отсутствия этих обстоятельств - нет.
  2. Обслуживающий персонал грамотен, квалифицирован, выполняет правила эксплуатации и техники безопасности. Следовательно, простоев технологической системы из-за поломок оборудования, арматуры и нарушений технологической дисциплины - нет.
  3. Оборудование химической установки не имеет ни явных, ни скрытых дефектов, оно квалифицированно смонтировано, а проект технологической системы выполнен на высоком профессиональном уровне. Следовательно, простоев ХТС по этим причинам не будет.
  4. Промышленный капитал кровно заинтересован в том, чтобы время эксплуатации технологической системы было существенно больше времени возврата кредита с процентами инвестору. Следовательно, масштаб времени рассмотрения, анализа работоспособности позволяет не учитывать деградационные процессы в системы (коррозию, износ, усталостные явления, старение катализаторов, отложения солей и других веществ в трубопроводах и т.д.).
  5. Метод исследования, проверки работоспособности промышленного объекта основан на стационарном подходе: переходные процессы, их динамика не рассматриваются. Эта предпосылка основана на гигантских трудностях построения детальной, подробной и достоверной динамической модели всей химико-технологической системы.

Иными словами, метод рассматривает только научно-техническиие аспекты параметрической надежности вечно юных и вечно новых технологических линий и установок.

Вся совокупность гипотез и предпосылок метода показывает, что полученная в конце анализа оценка вероятности работоспособности является максимальной: лучше не будет ни при каких обстоятельствах.

Основа метода экспертизы работоспособности.

В основе, в фундаменте предлагаемого метода находится физико-химико-процессно-математическая модель химико-технологической системы. Именно здесь авторы метода претендуют на системность и естественно-научную строгость рассмотрения проблемы работоспособности систем. Действительно, системой обычно называют совокупность взаимодействующих частей. Такими частями у нас являются собственно химические и фазовые превращения, процессы переноса и оборудование. Конкретная форма проявления системности: в модели выходные потоки и их параметры из одного вида оборудования являются входными в следующее по технологической схеме технологической системы. Естественно-научная строгость обусловлена тем, что математическая модель каждого вида оборудования, процессов переноса в нем обязательно содержит запись законов сохранения массы, количества движения и энергии.

Императивным требованием к математической модели технологической системы является замкнутость системы уравнений модели, как элемента ее корректности, и адекватности, достоверности. Последнее проверяется следующим способом. Для действующих и модернизируемых химических установок проводится сравнение расчетных по модели и измеренных на установке величин параметров, желательно нескольких, разной физической природы и в разных местах технологии. Если произошло совпадение этих величин с точностью до КИПа установки, то математическая модель признается достоверной. Для новых, т.е. еще не существующих химических установок, математическая модель считается достоверной, если рассчитанные по модели величины совпали с таковыми же, но в химико-технологическом регламенте системы, с точностью расчетов в последнем. При этом регламент химико-технологической системы объявляется истиной. После проверки достоверности математической модели она становится добротным научным продуктом, пригодным для разработки алгоритма и программы расчетов на компьютере.

Сама модель содержит искомые величины, в том числе и заданные параметры, остальные образуют множество внешних возмущений технологической системы. Последние можно разбить на три группы:

  1. Колебания расхода сырья, его компонентов, потоков энергии и ее качества.
  2. Отклонения размеров (габаритов) изготовленного оборудования от размеров, указанных в рабочей конструкторской документации (эти отклонения особенно опасны для гидродинамики, которая в свою очередь влияет на тепло-массообмен).
  3. Неопределенность научно-исследовательской информации, которую использовали при разработке технологической системы. Здесь напомним, что точность расчета коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении не лучше 30%, при кипении и конденсации - не лучше 50 - 100%, коэффициентов трения и местных сопротивлений в гидравлике не лучше 50%, константы равновесия химических превращений тоже имеют какую-то точность и т.д.

С математической точки зрения множество внешних воздействий на химико-технологическую сисьему - это просто аргументы задачи (взаимно - независимые в детерминированном и в любом другом смысле величины). Тогда математическая модель системы - это оператор, преобразующий множество внешних возмущений (аргументов) во множество заданных параметров.

С точки зрения теории вероятностей множество внешних возмущений образуют поле элементарных случайных величин, а модель - это оператор, который формирует, организует над этим полем сложное случайное событие - состояние работоспособности.

Отметим важный момент: без математической модели в принципе невозможно указать все внешние возмущения, экспертный подход из-за большой размерности задачи не проходит.

Опыт применения метода экспертизы, проверки работоспособности к действующим и новым химико-технологическим системам показывает, что, если число заданных параметров порядка 100, то число уравнений (т.е. число искомых величин) порядка 102, а число внешних возмущений порядка 101.

Сравнение с традиционным методом.

В начале 60-х годов с подачи Бориса Владимировича Гнеденко (мехмат МГУ им. М.В. Ломоносова) стал развиваться интересный метод оценки надежности объекта. Далее этот метод в теории надежности стали называть элементным подходом к проблеме надежности.

Суть подхода в том, что в качестве элементарного случайного события принимается момент времени t прихода объекта в состояние отказа. Мерой надежности назвали вероятность P(t) отказа на интервале времени (0 - t). Плотность распределения вероятностей времени отказа находилась, исходя из некоторых гипотез, а коэффициенты определялись из статистических экспериментов.

Надежность системы, созданной из элементов, определяется следующим образом. Представьте себе склад оборудования, арматуры, насосов, вентиляторов, теплообменников, реакторов и т.д. В ячейках склада находится одноименное оборудование, а на ячейке висит бирка с указанием вероятности отказа P(t). Расчетчик надежности системы расставляет оборудование согласно технологической схеме и хочет рассчитать вероятность отказа всей химико-технологической системы. Проблема решения этой задачи вызвала большой поток диссертаций, монографий, статей, выступлений на конференциях, потребовала создание красивого математического аппарата и алгоритмов решения на компьютере.

Сравним наш подход к оценке параметрической надежности и традиционной, элементной.

  1. Оба подхода работают в разных определениях понятий, т.е. в разных вербальных полях. Элементный подход, основанный на идеях 60-х годов, рассматривает отказ элемента, как потерю каких-то свойств его. Наш подход основан на определениях понятий ГОСТа 1983 года.
  2. Поле элементарных случайных событий совершенно разное. У нас это внешние воздействия на химико-технологическую систему, у элементного подхода - время наступления отказа элемента.
  3. Элементный подход работает с системой и ее частями как с «черным ящиком», его не интересует, что происходит в элементе. В нашем случае мы вынуждены максимально «просветлить» части технологической системы, сделать их почти «бело-серыми».
  4. Системность рассмотрения проблемы надежности в элементном подходе заключается в поиске функциональной зависимости вероятности отказа системы от вероятности отказа элементов, собранных в систему согласно технологической схемы химико-технологической установки. В нашем случае системность рассмотрения проявляется не только тем, что выходные потоки и их параметры становятся входными в следующее по схеме оборудование. Главное, системность рассмотрения состоит во взаимосвязи химизма, процессов переноса и «железа».
  5. В элементном подходе два события - отказ одного и какого-то другого элемента технологической системы являются взаимно-независимыми в вероятностном смысле. В нашем подходе отклонение одного и другого заданного параметра от номинального значения детерминировано, функционально взаимосвязаны через математическую модель, т.е. через законы сохранения.
  6. Сам способ определения вероятности отказа элемента технологической системы показывает, что условия эксперимента, испытания элемента с целью определения вероятности отказа не имеют ничего общего с условиями эксплуатации элемента в реальной химико-технологической установке. Сама практика эксплуатации любого оборудования показывает, что это оборудование в разных установках работает по-разному. Более того, один и тот же вид оборудования в местах по схеме одной и той же химической установки и работает по-разному. Конечно, если говорить о вероятности отказа лампочки накаливания, то условия ее эксплуатации действительно всюду одинаковы. Но лампочка накаливания - это ведь не химический реактор в какой-нибудь серьезной химико-технологической установке.

Окидывая одним взглядом все 6 пунктов сравнения традиционного (элементного) подхода к расчету надежности систем и предлагаемого метода оценки, проверки вероятности работоспособности технологических систем, можно увидеть, что они никак не пересекаются, даже точек контакта нет, кроме главной цели. Но не будем забывать свои корни, будем безмерно благодарны трудам предшественников, создавших питательный слой гумуса для развития других подходов, для генерации иных идей.

Особенности, «родимые» пятна метода экспертизы работоспособности химико-технологических систем.

  1. Длительность исследования работоспособности промышленных производств, как новых, так и действующих, по нашей практике составляет 1,0 - 1,5 года. 70% этого времени уходит на создание математической модели, а по существу на поиски количественной информации о химизме и процессах переноса. Остальные 30% - разработка алгоритма, программы расчета и проверка адекватности модели.
  2. Саму процедуру исследования в состоянии вести узкие специалисты-профессионалы, которые к тому же смогли найти общий язык.
  3. Наукоемкость процедуры исследования настолько велика, что метод анализа, проверки работоспособности химико-технологической системы разумно применять для высокотехнологичных и потому дорогих производств.
  4. Стоимость экспертизы, проверки работоспособности (по западным расценкам) составляет от 0,03% от капитальных вложений для дорогих химических производств до 5% - для дешевых. Во всяком случае эта стоимость находится в пределах погрешности определения самих капитальных затрат на создание химико-технологической установки и потому не вызывает возражений у заказчика.

Развитие метода экспертизы работоспособности систем.

  1. Новый взгляд на надежность систем (заданные параметры не должны выходить из разрешенного диапазона отклонения от номинала) позволяет провести экспресс- экспертизу, конечно, на качественном, описательном уровне: чем больше число заданных параметров, чем уже диапазон отклонения их, тем менее работоспособна технологическая система.
  2. Вполне возможно и уже реализуется расширение применения метода экспертизы, проверки работоспособности технологических систем в направлении экологии (определение меры опасности химической установки для окружающей природы и людей). Можно нацелить метод только на это, сделать его расчетным аппаратом экологической экспертизы установок химпроизводства.
  3. Метод экспертизы позволяет определить наиболее «вредоносные» внешние возмущения на систему, и это послужит руководством к действию при пуско-наладочных работах.
  4. Сама концепция параметрической надежности позволяет совсем иначе видеть проблему иерархической системы автоматического управления (АСУ) химико-технологических установок, сделать модель установки рабочим инструментом для создания АСУ и отказаться от широко распространенной манеры создания локальных систем управления системами. Тем более, что последние становятся еще и еще одним из возмутителей технологических систем.
  5. Разработка рекомендаций по увеличению вероятности работоспособности химико-технологических установок по существу означает, что мы претендуем на управление надежностью этих систем. Но сразу возникает вопрос: «А какая величина вероятности работоспособности ХТС оптимальна?».
  6. Сегодня разработчики установок, как нам представляется, должны доказывать покупателю их товара его качество, ХТС придется как-то сертифицировать, и предлагаемый метод анализа является расчетным инструментом этой процедуры. В пределе следует изменить ГОСТ на технологический регламент на проектирование установки, в котором обязательно должна быть глава, специально посвященная расчету вероятности работоспособности созданной химико-технологической системы. Одновременно, проектировщики должны вооружиться этим методом, чтобы рассчитывать не иллюзорную, мифически малую себестоимость продукции химической установки, а близкую к реальности.

Список литературы.

  1. Прохоренко Н.Н., Лекае А.В., Метод анализа работоспособности химико-технологических систем, М., ТОХТ АН СССР, ХХХ111, № 1, 1989, с. 135-139.
  2. Прохоренко Н.Н., Надежность технологических систем, М., ж-л «Энергия» РАН, Наука, №7, 2001 г. с. 30-35.
  3. Прохоренко Н.Н., Метод экспертизы надежности технологических систем, М., ж-л «Энергия» РАН, Наука, №8, с. 17-22.

Наверх

Скачать статью в формате Word