Введение к работе
Актуальность темы и степень разработанности
Высокотемпературные теплообменные аппараты используются в условиях интенсификации тепловых процессов, характеризующихся высокими тепловыми нагрузками и расходами материальных потоков. Как правило, эти объекты входят в состав автоматизированных технологических установок большой мощности, и их дефектность может приводить к значительным издержкам производства промышленной продукции, ухудшению ее качества, аварийным ситуациям.
Своевременное выявление источников нарушений технического состояния объектов позволяет принимать оперативные решения по обслуживанию дефектных элементов и исключать или существенно снижать вероятность аварийности технологических установок. В режимах эксплуатации непрерывных технологических процессов функциональное диагностирование, то есть диагностирование в режиме рабочего функционирования, является одним из эффективных инструментов мониторинга и управления эксплуатационной надежностью автоматизированного технологического оборудования.
Существенный вклад в развитие теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами внесли Коростелев В.Ф., Абрамов И.В., Поздняков А.Д., Лабутин А.Н., Макаров Р.И., Веселов О.В., Монахов М.Ю. и др.
Вопросы технической диагностики как самостоятельной научной дисциплины были сформулированы и широко освещались в работах Пархоменко, Мозгалевского, Гаскарова, Кузьмина. Функциональная диагностика в условиях эксплуатации непрерывных автоматизированных технологических процессов рассматривалась Мироновским, Химмельблау, Муромцевым, Жирабоком и другими авторами. Специфика диагностики автоматизированной теплообменной аппаратуры с учетом возможных неисправностей измерительных каналов автоматического контроля анализировалась в работах Лункина Б.В., Тараненко В.П., Цыганкова М.П. и Бойкова С.Ю. Однако в известных работах не учитывались особенности функциональной диагностики важного класса теплообменных аппаратов, применяемых в условиях интенсификации непрерывных технологических процессов и работающих в условиях предельных тепловых нагрузок.
В силу указанных выше причин, задачи разработки и применения методов функциональной диагностики для этого класса объектов являются актуальными. В работе они решаются с учетом влияющих на вид диагностических моделей высоких тепловых нагрузок, больших температурных напряжений, общей конструктивной специфики таких объектов, - влекущих наиболее характерные виды дефектов.
Объект исследования
Объектом исследования являются методы технического диагностирования автоматизированной теплообменной аппаратуры.
Предмет исследования
Предметом исследования является методологическое и алгоритмическое обеспечение автоматизации системного технического диагностирования теплообменных аппаратов и средств автоматического контроля их технологических режимов в жестких температурных условиях их эксплуатации.
Цель и задачи
Целью диссертационной работы является повышение объективности и оперативности процесса технического диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменных аппаратов. Указанная цель достигается решением следующих задач:
-
анализ особенностей организации высокотемпературного теплообмена, режимов функционирования, характерных видов дефектов теплообменников,
-
анализ существующих методов диагностирования автоматизированной теп- лообменной аппаратуры,
-
построение математических моделей для диагностирования, учитывающих специфику конструктивных особенностей и режимов эксплуатации высокотемпературных аппаратов,
-
разработка методов и алгоритмов функционального диагностирования высокотемпературной автоматизированной теплообменной аппаратуры,
-
анализ особенностей функционирования высокотемпературных аппаратов в производстве технического углерода, разработки методов диагностирования специфических дефектов теплообменных аппаратов для этого производства.
Научная новизна
Научная новизна заключается в выделении класса автоматизированных высокотемпературных теплообменных аппаратов, как специфических объектов технического диагностирования, имеющих аналогичные принципы организации тепловых потоков и особенности теплообмена; в обосновании включения нелинейных зависимостей параметров теплообмена от температуры в состав контрольных условий процедур диагностирования; в разработке методики расчета температурных профилей ячеечных моделей высокотемпературного теплообмена путем итеративного уточнения значений теплоемкостей и коэффициента теплопередачи для текущих значений температуры с учетом специфики организации движения потоков теплоносителей; в выявлении необходимости применения неявной схемы оценивания величины и места возникновения дефекта, в виду краевого характера задачи итеративного расчета температурных профилей высокотемпературного теплообмена; в предложении метода выявления дефектов, связанных с разрушенем элементов конструкции теплообменников, характерных для аппаратов высокотемпературного теплообмена; в разработке методики диагностирования высокотемпературных теплообменников крупнотоннажного производства технического углерода в которой учитывается рециркуляция тепловых потоков и химическое взаимодействие теплоносителей в условиях их внутренних утечек.
Достоверность
Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием методов математического моделирования, функциональной диагностики технических систем, проверкой адекватности контрольно-диагностических уравнений для примеров промышленных условий эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов, имитационным моделированием обнаружения отказов автоматизированной тепловой аппаратуры, широкой апробацией предложенных решений на конференциях различного уровня.
Теоретическая и практическая значимость
-
Подготовлена теоретическая база для разработки инженерных систем функционального диагностирования класса автоматизированных теплообменных аппаратов, эксплуатирующихся в условиях жестких температурных режимов осуществления процессов теплообмена.
-
Созданы алгоритмы и программное обеспечение функционального диагностирования установившихся режимов высокотемпературных теплообменных аппаратов, жесткие условия эксплуатации, которых связаны с высоким риском их аварийности.
-
Методы функционального диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменников, широко используемых в крупнотоннажном производстве технического углерода, приняты к внедрению в ОАО "Ярославский технический углерод".
-
Предложена компьютерная система технического диагностирования высокотемпературных воздухоподогревателей, используемая в курсовых и дипломных проектах Ярославского государственного технического университета.
Методы исследования
Теоретическую основу исследований составляет методология функционального диагностирования и ее разделы, базирующиеся на использовании принципов аналитической избыточности. Для исследования проблемы и решения задач технического диагностирования высокотемпературных теплообменных аппаратов в работе используются методы функциональной диагностики, математического моделирования, нелинейного программирования, теории идентификации.
Положения, выносимые на защиту
-
Исследование влияния и включение нелинейных зависимостей параметров теплообмена от температуры в состав контрольных уравнений диагностирования.
-
Алгоритмы решения краевой задачи расчета температурных профилей теплообмена итеративным уточнением температурного режима ячеек ячеечной модели теплообменника с учетом нелинейности зависимости параметров модели от температуры.
-
Методы обнаружения и диагностирования утечек и перетоков в теплообменниках на основании сопоставления расчетных температур на выходе теплообмен- ного аппарата с данными автоматического контроля его температурного режима
-
Методы повышения точности диагностирования учетом взаимосвязи расходов греющего и нагреваемого потоков, а также их химического взаимодействия при перетоках в высокотемпературных теплообменниках производства технического углерода.
Степень достоверности
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами проверки адекватности контрольно -диагностических уравнений для примеров промышленных условий эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов, имитационным моделированием обнаружения отказов автоматизированной тепловой аппаратуры, а также внедрением методов функционального диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменников в ОАО "Ярославский технический углерод".
Апробация работы
Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ -24, Пенза, 2011); на Международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009); на Международной научно -практической конференции «Nauka I inowacija - 2011» (Przemysl, 2011); на шестьдесят четвертой региональной научно -технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных зведений с международным участием (Ярославль, 2011); на шестьдесят второй региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных зведений с международным участием «Молодежь. Наука. Инновации - 2009» (Ярославль, 2009).
Публикации
Основные результаты диссертации отражены в девяти печатных работах, в том числе в трудах пяти научных конференций и четырех статьях в изданиях, включенных в перечень рецензируемых научных журналов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников из 127 наименований, 4 приложения. Работа изложена на 139 страницах основного текста, содержит 66 рисунков и 2 таблицы.