УДК 338.45:66
НАДЕЖНОСТЬ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
И ЕГО СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
Т.А. Афанасьева
Ивановский государственный химико-технологический университет
В любом промышленном производстве актуальной проблемой постоянно является надежность, как всего производства, так и его составляющих элементов.
Социально-экономическое развитие России должно предусматривать подъем народного хозяйства на принципиально новый научно-технический и организационно-экономический уровень. Для ускоренного развития страны необходимы сдвиги в техническом и технологическом содержании научно-технического прогресса. Одним из важнейших вопросов этой проблемы является обеспечение и управление качеством и надежностью промышленных производств. Понятие "обеспечение и управление надежностью" формулируется как целенаправленное воздействие на процессы формирования надежности, обеспечение её уровня на всех стадиях промышленного производства, контроль и регулирование технологического процесса с целью обеспечения его надежности и надежности всего производства и целом. При этом образуется единая система управления начальным качеством и надежностью как свойством сохранять показатели во времени.
В России действует государственная комплексная система управления качеством продукции (КС УКП), основной целью которой является обеспечение постоянно высоких темпов эффективного улучшения качества всех видов выпускаемой продукции. В настоящее время отдельной системы по управлению надежностью нет, поэтому имеется экономическая целесообразность создания системы управления и обеспечения надежности промышленного производства (КСУОНП) (рис1).
Такая система надежности, как одного из направлений системного подхода [1, 2], необходима для обеспечения:
а) надежности технологии и оборудования на стадии проектирования;
б) надежности оборудования в процессе изготовления;
в) надежности технологического процесса на стадии его освоения (внедрения);
г) надежности оборудования на стадиях монтажа и ремонта;
д) надежности эксплуатации, которая состоит из двух элементов (технологической надежности, устойчивости процессов и надежности оборудования в процессе эксплуатации).
КСУОНП должна быть подсистемой не только УКП, но и АСУП (АСУТП). Она должна представлять собой совокупность надежного функционирования производственных и служебных подразделений предприятия, а также разработку мероприятий, методов и средств, направленных на обеспечение необходимого уровня надежности технологических процессов и оборудования при их разработке, освоении, изготовлении и эксплуатации, т.е. на всех стадиях их жизненного существования.
Анализ работ ученых и специалистов, занимающихся проблемой надежности, показывает, что освещение состояния достижений в данной области и наши разработки можно разделить на пять разделов.
Ι. Системный подход к проблеме надежности химико-технологического производства.
П. Математическое моделирование надежности производства.
Ш. Надежность химико-техно-логических процессов ( ХТП ).
IV.Обеспечение надежности химико-технологического оборудования (ХТО).
V. Основы управления и обеспечения надежности химико-технологических производств.
Вопросы, которые рассматриваются в каждом разделе, должны освещать, по-возможности, полностью все тонкости проблемы надежности.
В первом разделе должна рассматриваться проблема надежности не только химического, но и других промышленных производств с учетом системного подхода к решению тех или иных задач. Новая экономическая стратегия ускорения развития страны обусловлена переходом к рыночным отношениям, особенности которого состоят в усложнении процессов совершенствования техники и технологии, в реорганизации системы управления. Интенсивный тип экономики связан не только с всемерным развитием средств труда, но и с улучшением использования действующих основных фондов. Таким образом, экономический рост страны обеспечивается двумя группами факторов: 1-я группа-повышение качества и снижение себестоимости продукции, повышение уровня надежности технологических процессов, доведение уровня производства до уровня лучших мировых аналогов; 2-я группа - совер-шенствование организации труда и производства, повышение степени использования имеющегося оборудования, рост культуры и порядка, улучшение системы управления производством и его организации. Для функционирования организации производства следует обеспечить соблюдение следующих принципов:
· целевая специализация,
· наличие программы (плана) функционирования,
· обеспечение целостности системы.
Надежность системы (объекта) может быть обеспечена также путем резервирования. Виды резервирования рассматриваются, например, в справочнике под редакцией И.А. Ушакова [8]. Довольно основательна точка зрения на этот вопрос Зубовой А.Ф., где указывается, что вопросы резервирования следует решать не только при эксплуатации техники, но и при её создании и конструировании. Резерв - это не только понятие "запас" чего-либо, но и средство повышения и обеспечения надежности. А.Ф. Зубова приводит технико-экономическое обоснование целесообразности резервирования для повышения надежности машин и аппаратов химических производств. Но резервирование-это только один из путей решения проблемы обеспечения надежности на стадии эксплуатации объекта. Весьма эффективно применение сетевых методов планирования и управления (СПУ).
Этот путь обеспечения надежности производства применяется ещё с 1956 года, когда разрабатывался проект Лисичанского химкомбината. Одним из путей решения проблемы обеспечения надежности какого-либо объекта является также непременный анализ и выбор применения показателей надежности, предусмотренных государственными стандартами, а также показателей, включенных в справочники.
Математическое моделирование, широко применяемое для описания различного рода явлений, позволяет раскрыть сущность надежности, её значение для эффективного функционирования любого объекта, обеспечить определенный уровень надежности, устойчивости работы этого объекта.
Рис. 1. Система
управления и обеспечения надежности промышденного производства
Рассмотрим несколько математических моделей надежности производства, химико-технологических процессов, химико-технологического оборудования. Эту проблему решали Гнеденко Б.В. [3] Кафаров В.В. и его школа, Глушков В.М. [2], Болотин В.В. [5] и другие учёные и специалисты в области теории надежности. Представление любой информации в виде математической модели преследует цель использования этой информации на практике.
В настоящее время широко применяются методы теории вероятностей и математической статистики, которые являются наиболее достоверными при исследовании процессов, зависящих от воздействия случайных факторов. Теория случайных процессов изучает закономерности изменения случайных величин (Х) в зависимости от изменения неслучайного параметра (времени, пространственной координаты и др.). В теории вероятностей рассматривается шесть основных видов случайных процессов в зависимости от того, непрерывное или дискретное множество значений принимает случайная величина Х(t) и её параметр t. В соответствии с этим различают четыре вида марковских процессов.
С весьма значительной степенью достоверности можно считать КСУОНП такой системой, в которой происходят дискретно-непрерывные марковские процессы. Комплексная система управления и обеспечения надежности производства должна контролировать и обеспечивать надежность работы всего производства, начиная со всех звеньев управления и кончая всеми производственными участками как основного производства, так и вспомогательных, обслуживающих (напр. РМЦ) подразделений предприятия.
Итак, КСУОНП состоит из ряда подсистем, в каждой из которых происходят случайные процессы. Под их влиянием система Х с течением времени может скачком переходить из одного состояния в другое. Возможные состояния изображаются с помощью графа состояний (рис. 2). На рис. 2 изображен граф перехода состояния отказа Х1 (нерабочее состояние машины) в надежное состояние Х4 (произведен ремонт и машина надежно функционирует).
Рис. 2. Граф состояний Система управления и обеспечения надежности промышленного производства
Х2-состояние готовности документации на ремонт;
Х3-состояние готовности технических средств для ремонта;
λ-интенсивность (плотность) потока событий, переводящих систему из состояния Хi в состояние Хj.
Кроме графического состояния системы Х, была разработана математическая модель надежности КСУОНП, т.е. составлена система дифференциальных уравнений, в т.ч.ф система дифференциальных уравнений для "чистой системы с ожиданием" (m=¥), m-число мест в очереди (число отказов в машине).
Применение теории марковских процессов дает широкие возможности для весьма точного описания и расчета характеристик (показателей) случайных процессов, к которым относятся отказы в работе такой комплексной системы, как промышленное производство.
Основные принципы разработки моделей надежности химико-техноло-гических процессов должны быть установлены в зависимости от вида данного процесса (рис. 3) и должны учитывать научно-обоснованную теорию анализа и синтеза химико-технологической системы, созданную школой Кафарова В.В. Анализ и расчет процессов химтехнологии являются исходным звеном в управлении ими, обеспечении их надежности и эффективности. Базой для систематизации новейших методов, используемых в химии и химтехнологии, служит кибернетика, основным методом которой является математическое моделирование изучаемых систем. Математическая модель надежности ХТП должна отражать его сущность и включать критерии (показатели) надежности ведения процесса. Нами были разработаны математические модели надежности механических процессов (измельчение, классификация), гидромеханических процессов (фильтрация), тепловых процессов (кристаллизация, грануляция, агломерация, обжиг), массообменных процессов (сушка), в т.ч. интенсивных процессов.
Для математических моделей надежности ХТП были разработаны (определены и рассчитаны) показатели интенсивных химико-технологических процессов. ХТП выбирались для изучения в зависимости от способов интенсификации, закономерностей процессов, технологических особенностей и производственной значимости.
Приведу пример, как разрабатывалась математическая модель надежности процесса активации-измельчения.
Изучая вопросы надежности, мы пришли к выводу, что ограничиваться лишь вероятностным подходом нельзя. Для разработки математической модели надежности технологического процесса следует изучать не только статистическую информацию об отказах, но и проникать в их физико-химическую сущность. Процесс активации-измельчения - одна из стадий в производстве ронгалита. Для изготовления этого продукта необходим цинковый порошок, применяемый в качестве катализатора. От химической активности цинкового порошка зависит количество и качество получаемого продукта, т.е. надежность производства. Подвергаемый ударным воздействиям цинковый порошок не только измельчается, но и получает более высокую химическую активность.
В основу математической модели надежности процесса активации-измельчения была положена формула Ребиндера П.А., по которой определялась работа, затрачиваемая на дробление:
А =σΔF+kΔV, где
σ-удельная поверхностная энергия;
ΔF-вновь образованная поверхность;
k-работа упругой и пластической деформации на единицу объема твердого тела;
ΔV-объем тела, подвергшийся деформации.
Чтобы использовать данную формулу в качестве математической модели надежности процесса активации-измельчения надо определить параметр, характеризующий надежность производства ронгалита. За такой параметр мы приняли количество энергии, идущей на повышение химической активности цинкового порошка. Энергетическое состояние системы "твердое тело-цинковый порошок" мы рассматривали с позиций термодинамики. В соответствии с первым началом термодинамики уравнение состояния системы запишем в общем виде:
f(Эм, U, Ахим0)=0, где
Эм-энергия, получаемая системой извне;
U-потенциальная (поверхностная или объемная) энергия системы;
Ахим0-энергия активации системы (количество дефектов на поверхности и внутри тела, поверхность без окисной пленки и т.д.)
Рис.3. Структура химико-технологических производственных процессов
Это уравнение записано с условием соблюдения первого начала термодинамики, т.е. внутренняя энергия и подводимая извне энергия идут только на внутреннюю перестройку в системе. Далее эта зависимость представляется в виде уравнения Ребиндера :
Эм=dU+dАхим или Эм= U+Ахим
Дальнейший анализ и решение предложенной нами математической модели позволили установить, что показателем надежности процесса активации-измельчения является
tgα= (Ахим-ΔU)/Ахим - угол наклона зависимости на кривой: Ахим=f(Эм), это уравнение для определения КПД процесса активации.
Проведенные исследования производства ронгалита и математическая модель надежности процесса активации-измельчения позволили сделать определенные выводы и дать рекомендации по обеспечению надежности данного производства.
Невозможно обеспечить надежность КСУОНП, если будет работать неустойчиво (ненадежно, с отказами) технологическое оборудование.
Для разработки математических моделей надежности химико-технологического оборудования следует учитывать состояние (возможность надежной работы) ХТО на протяжении всего жизненного цикла его существования, т.е. надежность должна закладываться ещё на стадии разработки, конструирования машины (аппарата), а также при изготовлении, так как недостаточная надежность ХТО на данных стадиях приведет к ненадежной эксплуатации техники. Надежность функционирования ХТО обеспечивается также при его монтаже и ремонтных работах. Надежность машин и аппаратов, любого вида техники обусловливается их безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долговечностью их узлов и деталей. Показатели, характеризующие надежность машин и аппаратов, классифицируются и рассматриваются в ГОСТах, например, в ГОСТ 27002-89, здесь же приводятся зависимости для расчета этих показателей.
На основании классификации отказов и показателей надежности разрабатываются математические модели надежности технических объектов. В справочнике «Надежность технических систем» под ред. Ушакова И.А. рассматриваются факторы, влияющие на величину надежности: нагрузки и воздействия на механические системы; механические свойства материалов и элементов конструкций; отказ как выброс случайного процесса из допустимой области и т.д. С учетом этих факторов предлагается основной показатель надежности р(t)-вероятность безотказной работы на отрезке времени [0,t]. Это соответствует вероятности нахождения вектора качества V(t) в допустимой области Ω в течение указанного отрезка времени:
Р(t)=Р{V(τ)εΩ; τε[0, t]}. В данной формуле не учитывается разброс физико-механических свойств материалов и разброс параметров нагрузок. Эта зависимость определяет показатель надежности на основе теории выбросов случайных процессов и полей, позволяет рассчитать безотказность объекта, выбирая пространство качества V и допустимую область Ω в этом пространстве.
В теории надежности для математического моделирования Гнеденко Б.В. предлагает использовать следующие распределения: экспоненциальный ( показательный) закон; закон Вейбулла-Гне-денко; гамма-распределение и др. В.В. Болотин [1] рассматривает "простейшие задачи надежности", учитывая взаимодействие элементов между собой по некоторым логическим схемам. Предлагается для наглядного представления взаимодействия использовать структурные схемы и графы. В.В.Болотин в [1, 7, 3, 2]:"Наряду с марковскими моделями теории надежности машин и конструкций применяют модели, учитывающие свойства наследственности и последствия. Элементарные модели отказов машин и конструкций должны опираться на вид расчетной схемы, способ описания свойств нагрузок, воздействий и материалов, характер назначаемых ограничений на состояние объекта и другие факторы".
Кумулятивные модели отказов описывают постоянное развитие и накопление в машинах повреждений, деформаций, износа, происходящих в процессе эксплуатации и под воздействием окружающей среды.
Монотонное ухудшение параметров качества механических систем можно представить в виде кумулятивной модели случайного процесса V(t), если для любых моментов времени t2> t1 выполняется условие ║V(t2)║>║ V(t1)║, где ║V(t)║-выбранная норма вектора V(t) в пространстве V. Для выпуклой области Ω в пространстве качества кумулятивный процесс V(t) монотонно приближается к границе допустимой области, а вероятность безотказной работы на отрезке времени [0, t] совпадает с вероятностью пребывания в этой области в момент времени t:
P(t)=P{V(t)εΩ}.
Если число отказов в системе на отрезке времени / 0, t / образует пуассоновский поток событий и вероятность наступления равна k отказов:
pk(t)=1/k![∫ λ(τ)dτ]k exp[-∫ λ(τ)dτ],
k=0,1,…, то вероятность безотказной работы Р(t)определяется при k =0: Р(t)= exp[-∫ λ(τ)dτ], где λ(τ)-интенсивность отказов.
Проников А.С. в своей работе "Надежность машин" указывает, что разработка математической модели надежности химико-технологического оборудования включает в себя три этапа.
1. Описание процесса потери работоспособности ХТО;
2. Разработка формализованной схемы этого процесса;
3. Построение математической модели, представляющей собой систему соотношений, связывающей характеристики процесса потери работоспособности ХТО и исходные показатели изделия с его выходными параметрами.
Первый этап разработки математической модели обязателен для описания надежности какого-либо конкретного вида ХТО.
На втором этапе формализацию процесса потери работоспособности машины можно представить схемой структуры внешних воздействий на ХТО (рис. 4 ).
Эффективность работы любого промышленного предприятия повышается также за счет четкой и стабильной работы вспомогательных служб предприятия в т. ч. ремонтной службы. То же самое можно сказать и о надежности. Надежная работа всего предприятия будет зависеть от надежной работы ремонтных подразделений. В теорию надежности некоторые специалисты и ученые ввели понятие " живучесть" ( справочник В.С. Адуевского "Надежность и эффективность в технике" [7]). Этот термин применяется для характеристики сложных и ответственных систем, к числу которых относятся транспортные и энергетические системы, средства связи, а также химико-технологические производства.
Живучесть - свойство системы продолжать нормальное функционирование с допустимыми показателями эффективности при непрогнозируемых или преднамеренных воздействиях. Таковыми могут быть либо стихийные (природные) явления, либо активные внешние вмешательства. Важным отличием задачи оценки живучести от других (оценка безотказности, устойчивости и т.п.) является то, что для этой задачи невозможно использовать вероятностные характеристики, вероятностные критерии оценок. Одним из показателей количественного измерения живучести является показатель эффективности и противоположный ему - минимальный ущерб после фиксированной совокупности воздействий. Предусмотренная на промышленных предприятиях инфраструктура в частности, ремонтное производство, повышает работоспособность технических объектов, увеличивает их долговечность.
Таким образом, повышение надежности работы ремслужбы повышает надежность основного производства. Для увеличения эффективности ремонтного обслуживания необходимо исследовать роль этой системы в формировании эффективности функционирования предприятия, надежности их работы, изучить связь между сроками службы технических объектов и параметрами системы ремобслуживания. Характеризовать влияя-ние ремонтных подразделений на надежность производства можно следующими показателями:
1.Понятие и сущность оптимальности срока службы.
2.Критерий оптимизации.
3.Оптимальные затраты на ремонт.
Рис. 4. Структура внешних воздействий на конструкцию
Показатель качества и надежности функционирования ремонтируемых изделий можно характеризовать математической моделью, учитывающей качество объекта в определенной сфере эксплуатации:
Кф=F(к1, к2, к3 . . . кn, I1, I2, I3, . . . In), где:
кi -показатель качества и надежности изделия;
Ij-характеристика сферы эксплуатации;
Кф= Рк.ф / ΣЗо;
Рк.ф - результат качественного функционирования основного и вспомогательного производства;
Зо - суммарные приведенные затраты на проектирование, производство основного продукта.
Довольно часто в сфере ремонтного производства устраняются повреждения от воздействия коррозионных процессов. В химических производствах технологическое оборудование подвергается коррозионному износу особенно сильно, т.к. работает в условиях агрессивных химических сред, высоких температур, высоких давлений. Проблеме коррозии посвящено значительное количество исследований и др. Определение коррозии металла и других материалов, классификация коррозионных процессов, природа их происхождения, влияние коррозии на состояние технических устройств - вот неполный перечень проблем и причин, оказывающих влияние на надежность ХТО. Борьба с коррозией занимает важное место при ведении химико-технологических процессов и поддержании химико-технологического оборудования в работоспособном ( надежном ) состоянии. Виды коррозии, формулировка понятия, природа этого явления изучались многими учеными: Н.А. Доллежалем, А.М. Сухотиным, А.Ф. Богачевым, М.П. Глазуновым и другими. А.Г. Кульман [9] предлагает классификацию коррозии в зависимости от природы этого явления, признаков коррозии, условиям протекания и др. (атмосферная, подводная, подземная, биокоррозия, контактная, щелевая, газовая и т. д.).
Влияние коррозии на надежность ХТО можно описать различными уравнениями, например, уравнением Аррениуса, характеризующим зависимость газовой коррозии от температуры lnk=А-В/Т ; k-скорость реакции, А и В - константы, Т - абсолютная температура. Надежность при любом виде коррозии можно определять по следующим показателям: время работы tк до появления первых признаков коррозии, tпред- время работы до полного отказа, скорость коррозионного процесса, площадь коррозионного повреждения, коррозионная стойкость материалов, параметры ХТП и ХТО и другие.
Потери от коррозии составляют значительную долю средств, вкладываемых в производство. Поэтому повышать надежность при появлении коррозионных воздействий среды необходимо.
Расчеты надежности ХТП и ХТО, основанные на предварительном изучении факторов, причин и закономерностей, вызывающих отказы, являются таким источником информации о будущем поведении процесса и оборудования, которые по своим возможностям позволят обеспечить надежность объекта на всех стадиях его существования.
Все вышеизложенное дает возможность более обстоятельно приступить к разработке КСУОНП. Разделы «Основы управления и обеспечения надежности химико-технологических производств» должны включать проработку следующих вопросов:
1. Прогнозирование надежности производства.
2. Диагностика надежности.
3. Идентификация надежности.
4. Система оценочных показателей надежности химико-технологических производств.
5. Основы разработки КСУОНП.
Пункт 5, в вышеназванном перечне вопросов, должен основываться на статистическом анализе надежности производства и включать определение цели и задач КСУОНП, основных принципов и функций. Вся система разбивается на 3 блока, основным (определяющим) из которых является блок надежности ХТП.
литература
1. Болотин В.В. О прогнозировании надежности и долговечности машин. – Машиноведение, 1977, с. 86-93.
2. Глушков В.М. О прогнозировании на основе экспертных оценок. Науковедение – прогнозирование – информатика. Киев, «Наукова Думка», 1970г.
3. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965г.
4. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Кн. 1, 2, 3. М.: Наука, 1976, 1979, 1981 г.г.
5. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Обеспечение и методы оптимизации надежности химических и нефтеперерабатывающих производств. М.: Химия, 1987г.
6. Кафаров В.В., Петров В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974г.
7. Надежность и эффективность в технике: справочник : BIOT (ред. совет В.С. Адуевский (предс.)) и др. М.: Машиностроение, 1986г.
8. Надежность технических систем: справочник под реакцией Ушакова Л.А. – М.: Радио и связь, 1985г.
9. Кульман Н.Г. Общая химия. М.: Изд. Сельскохозяйственной литературы, 1961г.
RELIABILITY of CHEMIST-TECHNOLOGICAL PRODUCTION and it’s STRUCTURED COMPONENT
T. Afanasjeva
Reliability, both all manufacture, and its elements is actual problem in any industrial production.