Разработка методов повышения надежности цеховых электротехнических комплексов химических производств Распопов, Александр Викторович

Введение к работе

Актуальность темы. Определение надёжности электроснабжения промышленных предприятий при эксплуатации необходимо для выработки мероприятий по целенаправленному воздействию на электрическое хозяйство объекта с целью повышения эффективности производства. Это особенно важно для предприятий химической промышленности, надёжная работа электрооборудования которых непосредственно свяэана с безопасностью производства. Система электроснабжения современного цеха состоит иэ тысяч и тысяч элементов, которые в свою очередь могут рассматриваться как совокупность большого количества деталей и сборочных единиц. Поэтому актуальна разработка эффективных методов расчёта надёжности объектов типа электрическое хозяйство цеха, предприятия.

Статистика отказов электрооборудования свидетельствует о недостаточности уровня надёжности. Необходимость его повышения для предприятий химической промышленности объясняется высокими требованиями химических производств к бесперебойности электроснабжения и возникает даже тогда, когда система электроснабжения удовлетворяет требованиям нормативных документов, определяющих степень надежности.

Система электрооборудования и электроснабжения является частью сложной технической системы, от работоспособности которой зависит эффективная работа объекта в целом. Выход из строя электрооборудования составляет 11.1% от общего количества взрывов и пожаров на химических предприятиях и является одной из главных причин для ещё примерно 60% аварий. Для химических объектов необходимо оптимальное решение вопроса о надёжности электроснабжения сетей до 1кВ, поскольку отключение хотя бы одного ответственного электроприёмника может привести к аварийной остановке всей технологической линии.

Диссертационная работа посвящена надежности внутрицехового электрооборудования и электроснабжения предприятий химической промышленности, ставит своей целью повышение надёжности электроснабжения химических производств, разработку системы показателей и методики оценки надёжности внутрицеховых электрических сетей в условиях эксплуатации. В связи с поставленной целью решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ существующих методов расчёта надёжности внутризаводского электрооборудования и электроснабжения.

2. Разработаны математические модели отказов электродвигателей химических производств.

3. Исследовано взаимовлияние электрической и технологической час-

тей химического производства для расчёта структурной надёжности объекта.

4. Разработана методика оценки надежности внутрицехового электрооборудования и электроснабжения предприятии химической промышленности.

5. Разработаны и внедрены мероприятия по повышению надежности систем внутрицехового электроснабжения химических производств.

Методы исследования определялись задачей анализа надежности внутрицеховых систем электрооборудования и электроснабжения и опирались на положения теории систем, аппарата устойчивых законов предельных теорем теории вероятностей, математической статистики, теории графов, теории информационного отбора.

Выводы и предложения основаны на анализе статистики действующих систем внутрицехового электрооборудования и электроснабжения технологических производств Узловского АО "Пластик" и некоторых других га десятилетний период. Рассматривались производства, использующие синтез химических веществ, среди них: производство волокнита, полистирола, пластика АБС, стирола.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод видовой прогрессии для учёта единичных отказов электроприёмников химических производств.

2. Теоретически обоснована возможность применения нулевой группы электродвигателей для описания массивов аварийно ремонтируемых и работающих устойчиво.

3. Определён размер выборки электрооборудования, характеризующий тенденцию отказов электроприёмников химических производств.

4. Доказана возможность использования центра видовой прогрессии для прогнозирования объёма и структуры ремонтной выборки.

5. Введено понятие "электротехнологический вид" для учёта функциональных взаимосвязей элементов технологической системы.

6. Общность принципов построения структурных схем технологических производств теоретически подтверждена выводом функции степени связанности.

Практическая ценность. Предложенная методика оценки надёжности внутрицеховых систем электроснабжения может быть использована при разработке последовательности и состава мероприятии по повышению надёжности химических производств, корректировке системы обслуживания и ремонта, в том числе и объемов ремонта.

Реализация полученных результатов. Созданная теоретическая база

позволила повысить надёжность систем внутрицехового электрооборудования и электроснабжения производств, использующих синтез химических веществ; оптимизировать системы внутрицехового электроснабжения-, разработать эффективную методику учёта отказов электроприёмников.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на кафедре ЭПП МЭИ, одной международной и двух региональных конференциях.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объём диссертации. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложений.

Во введении обоснована актуальность повышения надёжности внутрицеховых систем электрооборудования и электроснабжения химических производств, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены особенности систем внутрицехового электроснабжения и электрооборудования предприятий химической промышленности. Обоснована возможность рассмотрения статистики отказов только электрических двигателей, как наиболее ненадёжных элементов системы внутрицехового электроснабжения. Рассмотрены причины отказов электродвигателей, которые обусловлены нахождением в зоне действия неблагоприятных факторов, таких как температура, влажность, агрессивная среда и других.

Установлено, что наиболее существенной особенностью химических производств является жёсткая технологическая зависимость элементов с одной стороны и слабые взаимосвязи вспомогательных частей объекта, в том числе и электрической. Системе электроснабжения отводится вспомогательная роль, которая заключается в обеспечении безопасности, работоспособности, непрерывности и эффективности процесса производства. В этом случае средствами обеспечения надёжности прежде всего служат:

резервирование;

использование АВР, в том числе и на напряжение 0.4кВ;

самозапуск электродвигателей наиболее ответственных механизмов;

оптимизация системы обслуживания и ремонта.

Рассмотрены последствия от ненадёжной работы электрооборудования, особенности контроля и управления системой внутрицехового электроснабжения, требования нормативных документов, технологического персо-

нала предприятия.

Проведён анализ существующих моделей и методов расчёта надёжности электроснабжения промышленных предприятий, выбраны направления исследования, которыми являются: изучение единичных отказов электроприёмников на основе анализа массивов установленного и аварийно ремонтируемого электрооборудования, анализ структурных особенностей схем основанный на исследовании взаимовлияния электрической и технологической частей объекта.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей отказов в системах внутрицехового электроснабжения.

Изучение надёжности электроснабжения связано с анализом статистического материала об отказах электрооборудования и выявлением закономерностей, присущих объекту исследования. Для оценки показателей надёжности системы на I и ПУР электроснабжения на основе анализа ретроспективных данных о ремонтируемых электродвигателях рассмотрены вероятностно-статистические и ценологические модели.

Однородность ремонтных выборок , возможность их совместного изучения доказана с использованием понятия условной вероятности:

П1ІП2ІШІ1!

Р{пц/ш} = > є , (1)

ті!1і!гп2!І2!п!

где ші,пі2,1і,І2. - количества соответственно отказавших, исправных, электродвигателей сравниваемых выборок; пі.пг -общие количества электродвигателей в выборках; m - mi + шг; п пі + пг; 1 - її + І2-

На основе статистического эквивалента интегральной функции отказов выдвигалась гипотева о предполагаемой функции распределения. Проверка истинности гипотезы проводилась с помощью критерия Колмогорова. В результате анализа установлено, что вид функции отказов соответствует экспоненциальному закону распределения, что позволяет сделать вывод о преобладании в рассматриваемых производствах внезапных отказов. Получены аналитические выражения и статистические характеристики функции отказов. Рассматривались также отказы электроприёмников в зависимости от времени года и объёмов выпускаемой продукции. Результаты анализа учтены при разработке рекомендаций по повышению надёжности.

В работе использован подход основанный на изучении видовой структуры установленного и ремонтируемого электрооборудования. При сие-

темном исследовании электрического хозяйства цеха химического предприятия система электроснабжения рассматривается как ценоз - ограниченное в пространстве и времени единство, состоящее из изделий, каждое из которых считается элементом далее не делимым.

Исследования показали, что структура ремонтных выборок подчиняется видовому распределению. Относительные частоты появления видов множества ремонтируемых электродвигателей соответствуют эмпирическим данным и математическому аппарату устойчивых распределений. Для построения математической модели использована зависимость:

fl(x) = , (2)

Г X

где Wo - число типоразмеров і (видов) электродвигателей, каждый из которой представлен одной единицей-особью (ноева каста); х - непрерывный аналог, в общем случае, численности вида 1; 1 - целочисленные значения х; v - 1 + а - характеристический показатель распределения.

Необходимость видового представления объясняется существенными различиями в степени ответственности отдельных электроприёмников химических производств, а также неопределённостью исходной информации.

В связи с тем, что имеющаяся статистика отказов не содержит информации о месте электроприёмника в технологической схеме, разработана система пересчёта параметров распределений в зависимости от степени обобщения.

При изучении отказов электроприёмников химических производств, в качестве определения понятия "вид" использовалось следующее: представителем того или иного вида считался электродвигатель, отличающийся количественной (мощность) и качественной (тип) характеристиками. Однако, такое определение не является окончательным. С точки зрения взаимозаменяемости, как одного из вопросов, касающегося надёжности электроснабжения, необходимо рассмотрение ещё одной характеристики -числа пар полюсов. В результате анализа получены распределения с различной степенью обобщения.

В качестве определения понятия "вид" рассматривались приводимые характеристики как поочерёдно, так и в различных сочетаниях. Семейство кривых выглядит как показано на рис.1, особенностью которых яв-

Рис.1 Динамика параметров видового распределения при изменении количества учитываемых стандартных характеристик электродвигателей

і

о»

ляется сохранение положения точки перегиба R. Очевидно, что ограничениями здесь служат максимальная степень обобщения (S-1, вид определяется как "асинхронный электродвигатель с короткоаамкнутым ротором") и максимальная степень детализации (S-U).

Установлена связь между параметрами распределении, получены аналитические зависимости показателей распределений. Отмеченная особенность видовых распределений может быть испольвована для определения показателей при изменении степени обобщения.

При рассмотрении структуры электроснабжения на низших уровнях напряжения обоснована необходимость учёта технологических вааимосвя-зей внутри объекта, как в наибольшей степени отвечающей поставленной задаче. Моделью в данном случае служит частично ориентированный граф, вершинами которого являются электродвигатели, связи выделены по технологическому принципу и отражают движение химических веществ и энергетической среды. Модель исключает из рассмотрения элементы технологической схемы, не содержащие в своём составе электрооборудования. Таким образом исследовано влияние, которое оказывает система установленных электродвигателей и электроснабжения на работу химического производства.

Из теории графов известно, что минимально возможное количество рёбер простого графа необходимое для того, чтобы граф был связанным, определяется как:

dm in - П - 1 , (3)

где п - количество вершин графа.

При добавлении к такому графу ребра образуется цикл, а при удалении - граф распадается на отдельные компоненты.

Максимально возможное и фактически существующее количество рёбер простого графа составляет:

п ( п - 1 ) 1=1

dmax - , <Іф = , (4)

где 6vi - степень 1-й вершины.

Для учёта степени структурной значимости электроприёмников, их влияния на процесс производства, использовано понятие ранг элемента. Ранг определяется количеством связей рассматриваемого электродвигателя с другиыи и служит для анализа структурных свойств схемы. С точки зрения внутрицеховой системы электроснабжения откаэ элемента

равносилен изъятию того количества связей, носителем которых он является. Очевидно, что последствия отказа для структуры будут наиболее тягостными при выходе из строя элемента, ранг которого наибольший.

Для вычисления ранга использовано соотношение:

d⁽¹⁾(k)

R(i)= llmRV = Hm—гтт ^-. г-. , (5)

k~ k-"»d⁽¹⁾(k)+d⁽²⁾(k)+...+ d⁽ⁿ⁾(k)

где d⁽¹⁾(k) -количество связей длины к, идущих из элемента 1. А также упрощённый подход, состоящий в возведении матрицы непосредственных путей в невысокую степень (вторую, четвёртую), затем суммирования элементов строк полученной матрицы и деления на сумму всех элементов этой матрицы. Такой метод позволяет получить близкие к истинным значения рангов и сохранить при этом соотношения между ними.

В третьей главе для получения единичных показателей надёжности предложен метод видовой прогрессии, который состоит в последовательном суммировании количеств отказов за определённые интервалы времени и получении совокупности видовых распределений. На каждом этапе определяются показатели распределений , характеризующие динамику отказов во времени.

Выделены следующие особенности:

- виды, имеющие низкий уровень надежности достаточно быстро меня
ют номер касты в сторону увеличения;

- появление новых видов с течением времени все менее вероятно.
Изменение показателей видовой прогрессии происходит как показано

на рис.2. При достаточно длительном периоде наблюдения количество отказов электродвигателей достигает количества установленных , однако, это не означает, что каждый электродвигатель подвергнется аварийному ремонту. Существует некоторое количество оборудования, для которого вероятность безаварийной работы в течение всего срока службы практически равна единице. Полученные теоретические результаты объясняют эмпирические выводы, которые нашли отражение в системах ППР ряда отраслей.

Для учёта составляющей, работающей безотказно, введено понятие "нулевая каста" Ко, которая определяется как доля видов электродвигателей, не подвергшаяся аварийному ремонту S_H. В координатах видового распределения положение нулевой касты определяется точкой на оси ординат рис.3. Для начальных интервалов наблюдения Ко лежит на пересечении верхней части гиперболы с осью 0*1, при увеличении объёма ремонтной выборки вид функции ft(vi) меняется. В пределе при t+»,

1 2 3 4. 5 в

Рис2 Динамика показателей видовой прогрессии-производства полистирола.

когда аварийному ремонту подвергнется представитель каждого вида, положение Ко будет определяться точкой с координатами (0,0). Таким образом массив электрооборудования может быть представлен в виде слагаемых:

дт^ї¹ дті»!¹

-і- + -±- і (б)

So So

где So, S_a - количество видов соответственно установленных и отказавших электродвигателей.

Динамику изменения Ко удобно сопоставлять с численностью самой мощной популяции Wo, рассматривая участок (О.аі). На рис.3 представлена графическая интерпретация изменения Ко. Прямая, проходящая через точки с координатами (0,So), (1,0), называемая далее главной диагональю, характеризует начальный момент наблюдения, когда |Sa| » О, |Ua| » 0, ' Ко So. Каждое новое значение нулевой касты получается вычитанием количества видов электродвигателей, попадающих в ремонт, от исходного значения с шагом ДЪ Как видно из рис.3, местом пересечения прямых является достаточно ограниченная область.

Поскольку значение Ко не может быть меньше нуля, для Wo это означает достижение установившегося значения, максимального для данного ценоза. Зная динамику видовьи распределении, можно с достаточной точностью оценить количественный и видовой состав массива аварийно ремонтируемого оборудования на перспективу. Обосновано использование трёхлетней ремонтной выборки, как адекватно отражающей тенденцию ремонтов. Нулевая каста характеризует часть электрооборудования, работающую устойчиво и позволяет прогноаировать величину Wo, а следовательно и структуру ремонта. При этом возможно использование полной таблицы видового распределения, отличительным признаком которой является дополнительная (нулевая) строка.

Безаварийная работа химических производств зависит от надёжности системы на ІІ1+УІУР электроснабжения. При полном прекращении питания электроэнергией возникают сложные зависимости взаимного влияния технологических процессов. К авариям может привести большое число событий: выход из строя воздушных и кабельных линий, трансформаторов, несрабатывание автоматических выключателей т.е. элементов системы электроснабжения на III+VI уровне. Для учёта источника питания внут-

Рис.3 Видовое распределение электродвигателей с учетом нулевой касты

рицеховых электрических сетей, рассчитаны характеристики надёжности системы электроснабжения Ш*У1УР относительно заданного уела нагрузки, в данном случае РУ-0.4кВ (ПУР), от которого получают питание электроприёмники технологических линий. В схему надёжности источник питания вводится элементом, имеющим эквивалентные параметры, включение такого элемента в смысле надёжности последовательное, его отказ приводит к остановке технологического процесса.

Результаты анализа использованы для разработки рекомендаций по повышению надёжности производства полистирола, обоснования сроков остановочных ремонтов цехов.

В четвёртой главе рассмотрены структурные схемы внутрицеховых систем электроснабжения как принадлежности технологических производств.

Любое химическое производство состоит И8 последовательности трёх основных операций: подготовки сырья, собственно химического превращения и выделения целевых продуктов. Для моделирования структуры внутрицеховых электрических сетей в данной работе использован частично ориентированный граф. По-существу модель является схемой замещения технологических схем и отражает логику работы системы. В данном случае исключены из рассмотрения элементы не содержащие в своём составе электрооборудования.

В результате анализа структуры химических производств, сочетания элементов технологического и энергетического назначения выделены совокупности - электротехнологические виды, под которыми понимается технологический аппарат (реактор, ёмкость) в совокупности с электрооборудованием, необходимым для его функционирования. Объединение элементов указанным образом обусловлено тем, что они являются зависимыми с точки зрения надёжности. Отказ любого из них является отказом участка схемы. На рис.4 приводится пример приведенного определения, а так же использованный принцип моделирования структурных схем. На основе отмеченной особенности возможна оптимизация схем электроснабжения по технологическому принципу, а так же упрощение расчётных схем.

На основе анализа структурных схем установлено, что функция связанности как зависимость частоты встречаемости элементов от их количества соответствует распределению Пуассона и выражается соотношением:

Воздух

Реактор 119

N3:

Пульпа

Рис. 4 Электротехнологический ВИД

а) участок технологической схеыьс б) граф: в) упрощенная модель.

^:

2N² * 5v* -6vi

Wi = * e + 1 , (7)

M a k!

где w_t - частота встречаемости вершины, степень которой равна 6vj; N,M - количество электродвигателей и связей модели; к - степень связанности, частота встречаемости которой максимальна.

Функция (7) ведёт себя следующим образом: ее максимум уменьшаясь по величине смещается вправо. Протяжённость "хвоста" функции пропорциональна объёму выборки. В результате исследования установлено, что вид функции не меняется при рассмотрении различных производств, а так же различной степени обобщения: исследовании общего количества элементов электрической сети, или только элементов, участвующих в процессе производства, а так же дифференцированном представлении связей. Этот факт служит отражением общих принципов построения технологических схем химических производств.

Уровень структурной надёжности системы (её "вес") характеризуется площадью под кривой функции связанности, характеристики элементов получены делением степени связанности элемента на общий "вес" системы.

В результате анализа установлено, что наиболее связанный элемент системы внутрицехового электроснабжения является в то же время и наиболее ответственным. То есть самые тяжелые последствия для структуры системы будут в случае отказа (изъятия) наиболее ответственного элемента. Снижение d^ ниже определённого уровня, называемого далее критическим, ведёт к отказу системы в целом. В связи с этим при. анализе надёжности использовано требование обратного соответствие степени связанности элемента его интенсивности отказов. Введем коэффициенты связанности, как соотношения между dnun.dmax.d*:

d_mm <А» dnun

Ki ; Кг - -— ; Кз - —— . (8)

dmax dmax и*

для различных структурных подразделений, производств динамика изменения значений коэффициентов связанности представлена на рис.6.

_^sr

M*k

^,№=S^f*exp(-6w)+l

где N -ао/исчестао олехтрокриеішихоа шкюпш М связей;

СВЯЗИ:

'^неорЕентированные исходящие

OVi — степені сааавнноотл 5-ого з.техтрохраеияика;

технологические

ОбЩЄЄ КОЛЗГЧЄС7ЕО

к - ззибслв* часто встречах>:цаяся степені сэиэешкостк.

1 2 3 4 5 в 7 а Э 10 Ц 12 13 14 16 1в 17 18 19 20

Рис.5 Функция степени связанности электроприемников химических производств

p(p-i) _^ j>^

Ki=

train

K2 =

ІІІ.

Кз=-