Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Выбор объектов и направлений исследований 21
1.1. Объекты исследований 21
1.1.1. Обоснование выбора объектов исследований 21
1.1.2. Общая характеристика производства азотной кислоты и его технико-экономический уровень 23
1.1.3. Турбокомпрессорное оборудование производства азотной кислоты 24
1.2. Выбор направлений исследований 31
1.2.1. Современное состояние теории надежности технических систем 31
1.2.2. Анализ работ по исследованию работоспособности производства азотной кислоты и газотурбинных установок 38
Выводы по главе и формулировка задач научных исследований 41
ГЛАВА 2. Анализ информации об отказах, оценка показателей надежности структурных элементов газотурбинных установок 43
2.1. Постановка задачи 43
2.2. Разработка базы данных отказов единиц оборудования газотурбинных установок в производстве азотной кислоты 44
2.3. Планирование определительных испытаний на надежность объектов исследований 49
2.4. Комплексная классификация отказов, категорирование оборудования по надежности 51
2.5. Математическая обработка экспертных оценок эффективности восстановления работоспособности оборудования 54
2.6. Корреляционный анализ показателей надежности категорий Оборудования 55
2.7. Регрессионный анализ показателей надежности категорий оборудования 58
2.8. Анализ рядов показателей надежности категорий оборудования 60
2.8.1. Проверка существования в рядах детерминированных компонент 60
2.8.2. Выделение и удаление детерминированных компонент рядов 62
2.8.3. Проверка однородности стохастических рядов 63
2.9. Интервальное оценивание показателей надежности категорий оборудования 67
Выводы по главе 79
ГЛАВА 3. Анализ надежности газотурбинных установок методом дерева отказов 80
3.1. Постановка задачи 80
3.2. Базовые сведения о дереве отказов 81
3.2.1. Последовательность анализа 81
3.2.2. Графический аппарат 83
3.2.3. Логико-математическое описание причинно-следственных связей 84
3.3. Построение и качественный анализ событий дерева отказов
объектов исследований 84
3.4. Количественный анализ дерева отказов объектов исследований .88
Выводы по главе 103
ГЛАВА 4. Повышение эффективности программы ремонтов газотурбинных установок 104
4.1. Постановка задачи 104
4.2. Разработка математической модели экономически эффективной эксплуатации-восстановления газотурбинной установки 105
4.3. Совершенствование программы ремонтов совокупности газотурбинных установок 111
4.4. Взаимодействие служб и подразделений предприятия
в системе надежности 114
Выводы по главе 117
ГЛАВА 5. Разработка программного обеспечения обучеііия и тренинга персонала производства азотной кислоты 118
5.1. Постановка задачи 118
5.2. Общие сведения о системе 118
5.3. Структура программного обеспечения 120
5.4. Основные сведения о среде и языке программирования 121
5.5. Краткое руководство пользователя программного обеспечения 123
5.6. Результаты применения программного обеспечения 128
Выводы по главе 130
Основные результаты и выводы 131
Список литературы
- Общая характеристика производства азотной кислоты и его технико-экономический уровень
- Планирование определительных испытаний на надежность объектов исследований
- Логико-математическое описание причинно-следственных связей
- Разработка математической модели экономически эффективной эксплуатации-восстановления газотурбинной установки
Введение к работе
Фундаментальной составляющей процесса обеспечения надежной, безопасной эксплуатации и продления ресурса технологического оборудования на промышленных предприятиях химической отрасли РФ является система технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) поскольку:
реальные условия эксплуатации производственных объектов существенно отличаются от номинальных;
расходы по статье «ремонтный фонд» составляют до 30% в структуре себестоимости продукции;
до 60% персонала задействовано в данной сфере деятельности;
работоспособность машин и аппаратов напрямую влияет на качество выпускаемой продукции, определяя конкурентоспособность бизнеса;
5. около 75% отечественных агрегатов большой и малой единичной
мощности имеет срок эксплуатации более 20 лет, около 10% - более 30 лет,
значительная часть объектов является источником техногенной опасности.
В сложившихся условиях особую значимость приобретает разработка новых универсальных подходов и прикладных методов эффективной оценки и прогнозирования ремонтопригодности и готовности машин, аппаратов и коммуникаций химических производств, активный переход к научно-обоснованной профилактике отказов, ТО и Р оборудования по техническому состоянию. Настоящая диссертационная работа посвящена решению данной проблемы.
Информационной базой исследований послужили сведения об эксплуатации девяти газотурбинных установок (ГТУ) ГТТ-ЗМ в агрегатах УКЛ-7 в открытом акционерном обществе «Новомосковская акционерная компания «Азот» (ОАО «НАК «Азот»).
Цель работы. Разработать теоретическое обоснование эффективного метода ТО и Р совокупности ГТУ с учетом закономерностей формирования надежности и технического состояния оборудования в реальных условиях эксплуатации производства азотной кислоты.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
В первой главе дано обоснование выбора объекта и направлений исследований, приведено описание структурной схемы ГТУ, проанализированы современные направления развития теории надежности, алгоритмов и технологий управления процессом ТО и Р в химической промышленности, представлен литературный обзор печатных работ по тематике диссертации.
Газотурбинная установка ГТТ-ЗМ включает в себя следующие структурные элементы:
турбокомпрессор, состоящий из осевого компрессора и газовой турбины, смонтированных одном корпусе и имеющих общий ротор;
редуктор для передачи вращения от турбины к электродвигателю и нагнетателю;
разгонный электродвигатель, являющийся одновременно и электрогенератором, с жидкостным регулятором скольжения;
нагнетатель;
камера сгорания турбины;
система трубопроводов газовоздушного тракта;
система регулирования и защиты, КИП и А;
система смазки агрегата;
воздухоохладитель.
При выборе научно-методического подхода к проведению исследований использовался ряд логических посылок, ключевые из которых перечислены ниже:
1. истинные законы распределения показателей надежности ГТУ и их структурных элементов априори не известны, любые теоретические предположения о принадлежности эмпирических плотностей распределения определенным параметрическим законам (Вейбулла, показательному и др.) будут выполняться исключительно приближенно;
2. значительная часть информации о надежности окажется представленной малыми выборками, которые могут содержать выбросы - грубые, сильно отличающиеся от основной массы наблюдения, способные сильно исказить при оценке такие выборочные характеристики как среднее и дисперсия, которые в этих условиях становятся не эффективными.
Поскольку ни один из существующих подходов не отвечал в полной мере необходимым требованиям, было принято решение разработать методическое обеспечение комплексного анализа и прогнозирования эксплуатационной надежности ГТУ, базирующееся на непараметрических статистических методах анализа медианных значений, позволяющее исключить неоправданные математические допущения и получить точные, несмещенные и устойчивые оценки показателей надежности.
По итогам проведенного литературного обзора сформулированы задачи, решаемые в диссертации.
Вторая глава посвящена исследованию эксплуатационной надежности категорий оборудования ГТУ в производстве азотной кислоты, выполненному в несколько стадий:
разработка системы сбора, хранения и обработки информации об отказах в среде Microsoft Access 2002;
задание параметров плана испытаний на надежность объекта исследований, сбор информации;
классификация отказов, формирование выборок следующих показателей надежности структурных элементов ГТУ: наработка на отказ, ч (tj);
время восстановления работоспособного состояния, ч (/#.);
трудоемкость восстановления работоспособного состояния, чел*ч (Трд.);
эффективность восстановления работоспособного состояния, экспертная оценка (0 < 3]$! < 1);
4. анализ статистической информации:
математическая обработка экспертных оценок Э#. (проверка согласованности мнений экспертов (коэффициент конкордации Кендэлла), оценка относительной компетентности экспертов, построение единого группового мнения);
изучение наличия или отсутствия корреляции между следующими парами переменных://и t%., ґ,и *д._., tjU Трд., tjH Трд , tg.u Трд. (инверсионный ранговый критерий тс Кендэлла), при необходимости оценка параметров медианной регрессии;
4.3. анализ временных рядов показателей надежности (только при
л>10):
проверка существования в рядах детерминированных компонент (модель Тейла-Вейджа);
выделение и элиминирование тренда и периодической компоненты;
исследование однородности стохастической компоненты (критерий равенства медиан и модифицированный робастный критерий Левена);
5. доверительное оценивание медианных значений показателей надеж
ности категорий оборудования ГТУ, изучение эффективности полученных
оценок.
План испытаний совокупности газотурбинных установок — NMr (общее количество неисправностей, рассмотренное в данной работе — г = 765, вариация числа отказов по агрегатам - 62 +-108).
Для расчета коэффициента готовности структурных элементов ГТУ использовали следующую формулу:
Кр = med{3n ,все\<і<п
Bi-xti+tB._x
Экспертная характеристика Эв позволяет более точно идентифицировать сущность процесса эксплуатации - восстановления конструктивно однотипного, но индивидуального с точки зрения надежности оборудования, информация о неисправностях которого недостаточно полная и достоверная. В качестве экспертов при оценке эв в данной работе выступили специалисты
МГУИЭ, ОАО «НАК «Азот» и Ростехнадзора.
Итоги классификации отказов совокупности объектов исследований приведены карие. 7 и 2.
В результате корреляционного анализа подтверждено наличие значимой статистической связи между tB. и Трд. для всех категорий оборудования
ГТУ, фактический характер которой адекватно описывают логарифмические регрессионные модели.
Число однородных групп показателей надежности (с общими вероятностными закономерностями) структурных элементов газотурбинных установок в зависимости от категории составило от 3 до 9. Данный факт убедительно доказывает бессмысленность применения теоретических распределений при проведении исследований и правильность выбранного априори методического подхода.
Сравнительный анализ выборочных средних (арифметических, взвешенных) и медиан наглядно продемонстрировал преимущества использования последних при анализе надежности. Для выборок объемом п < 20 примерно в 70% случаев медианы, устойчивые к выбросам, более достоверно отражали средний уровень показателя надежности категории оборудования ГТУ, характеризовались более узкой шириной доверительного интервала оценки. Кроме того, очень важно, что в отличие от выборочных средних нижняя доверительная граница медиан показателей надежности всегда располагалась в области положительных значений.
6Э
Обусловленность 91
Конструктивный Проиаві
Эксплуатационный Де градационный
ущерб для объекта
эффективности объекта
качества функционирования
Категория тяжести последствий
Постепенный Сбой
Рис. I. Классификация отказов ГТУ
22,7
11,9
11,7
15,2
13,6
7,7
4,1
5,8
7,3
Категория оборудования
Рис. 2. Среднее процентное соотношение количества отказов категорий
оборудования 1 ГУ: 1. турбокомпрессор; 2. редуктор; 3. электродвигатель; 4. нагнетатель; 5. камера сгорания турбины; 6. система трубопроводов газовоздушного тракта; 7. система регулирования и защиты, КИП и А; 8. маслосистема; 9. воздухоохладитель
Третья глава посвящена анализу надежности газотурбинных установок логико-графическим методом дерева отказов, структура которого включает конечное событие (отказ системы), соединяющееся с набором соответствующих нижестоящих событий (ошибки персонала, неисправности структурных элементов, неблагоприятные внешние воздействия), образующих причинные цепи (сценарии отказа).
Методические основы исследований:
разработка дерева отказов ГТУ на необходимом уровне детализации;
количественная и качественная оценка дерева отказов (причины, механизмы, последствия и условия возникновения и развития событий, способствующих потере системой работоспособного состояния);
сравнительный анализ эффективности существующих методов расчета значимости исходных событий дерева отказов (G,-), т.е. их вклада в появление конечного события (А) при непараметрическом подходе к оценке надежности ГТУ:
. 1*ш = <Ш. (значимость при 0(G,-) = 0),
G' Q(A)\Q(Gi) = 0K * *К l)
где Q(A) - фактическая вероятность события А;
Q(A)\Q(Gt) = 0- вероятность события А, вычисленная при условии, что
вероятность события G, равна 0;
jRAW = Q(A)\Q(Gi) = l (значимость при Q{Gi) = 1);
'' Q(A)
TFV Q(A)-Q(A)\Q(Gi) = 0 , Л D ч
Iс = —^ ' ' (значимость по Фусселю-Везели);
Q(A)
I = (Q{A)\Q(Gi) = 1) -{Q(A)\Q(Gi) = 0) (значимость по Бирнбауму);
dQ{A)-6Q(Gi) д^
т jDIM _ dQ(Gj) dQ(Gj) (дифференциальная значимость
„dQ(Gn) ^ п) j?dQ(Gn)
привд)=ад);
dQ(A)
.DIM _ dQ(Gj) G,-
dQ(Gf)
Q№i) (дифференциальная значи-
мость при
^8Q(Gn) ^V n) XdQ^n) SQjGj) ^SQ(Gn), Q(Gt) Q(Gn) '
5. изучение достаточности предусмотренных технических средств контроля работоспособности газотурбинных установок для своевременного обнаружения и локализации отказов оборудования и ошибок персонала.
Медианные значения вероятности конечного события дерева отказов для совокупности ГТУ приведены в табл. 2.
Таблица 2
В результате реализации процедуры расчета показателей ifr , I&*w, lv, I^M и I^IM установлено, что наиболее информативной оценкой вклада
G; Ot G;
исходных событий в появление конечного события дерева отказов является значимость по Фусселю-Везели, которой можно ограничиться при проведении исследований надежности агрегатов химических производств непараметрическими методами.
Количественный и качественный анализ неисправностей ГТУ позволил выявить ключевые группы событий, негативно влияющих на работоспособность системы. Их краткая характеристика приведена ниже:
1. Выпадение направляющих лопаток обойм турбины - попадание посторонних предметов в турбину (крупный дефект в технологической части производства азотной кислоты), недопустимая остаточная деформация замков или выпучивание одной из замковых лопаток из тела ротора в радиальном направлении. Процесс, как правило, носит лавинообразный характер.
2. Интенсивный износ рабочих колодок подшипников скольжения -
действие сверхнормативных циклических нагрузок, возникающих при не
ритмичной работе ГТУ (количество случаев прохождения критических час
тот вращения ротора более 24 в год), нарушения номинального температур
ного режима эксплуатации пар трения и наличие большого количества твер
дых примесей в циркуляционном масле, являющихся следствием повышен
ной загрязненности оборотной воды.
Неисправность клапанов ГТУ - механические отказы элементов или некорректная настройка в ремонт.
Загрязнение проточной части осевого компрессора маслом и отложениями - приводит к снижению давления за осевым компрессором и центробежным нагнетателем на 2,5 - 2,9 и 4,9 — 5,9 кПа соответственно, возрастанию температуры газов перед турбиной на 5 — 10 С и в результате снижению производительности ГТУ по воздуху до 10%.
Выкрашивание зубьев шестерен редуктора — значительные контактные нагрузки в зубчатых парах, являющиеся следствием неритмичной работы ГТУ, частых пульсаций подачи и давления воздуха в турбокомпрессоре при наличии концентраторов напряжений в металле - листингов.
Загрязнение межтрубного пространства воздухоохладителя грязью и илом - способствует перераспределению степени повышения давления между осевым компрессором и центробежным нагнетателем и возникновению дополнительных нагрузок на электродвигатель.
Разрушение рабочих колес ротора нагнетателя — появление и развитие усталостной трещины от наружного диаметра диска к внутреннему по радиусу с последующим вырывом куска периферийной части диска. Трещина во всех случаях проходит через место сопряжения лопатки с диском на наружном диаметре колеса с нерабочей стороны лопатки. В месте начала трещины имеется сильный концентратор напряжений.
Особое место занимают события, связанные с недопустимыми нарушениями номинального режима эксплуатации ГТУ, вклад которых в формирование отказа системы чрезвычайно высок.
Поскольку примерно 90% отказов газотурбинных установок по возможности обнаружения относится к явным, предусмотренные технические средства контроля работоспособности совокупности объектов исследований следует признать достаточными.
В четвертой главе предложена стохастическая модель процесса эксплуатации - восстановления совокупности ГТУ с максимальной готовностью, базирующаяся на непараметрическом подходе к оценке надежности.
Каждая газотурбинная установка представляет собой техническую систему, состоящую из множества элементов, которое по тяжести последствий отказов можно разделить на подмножество элементов III группы — Qjjj, II
группы - Qjj и I группы - 0/ (см. рис. 1). Отсрочка проведения операций по
восстановлению элемента ГТУ, вошедшего при ранжировании в III группу, по истечении установленной с учетом надежности нормы времени считается недопустимой. На выполнение ремонта элемента II группы устанавливается возможный допуск-±10% рациональной наработки, I группы — ±20%.
Материальные потери при эксплуатации - восстановлении одной газотурбинной установки, выражающиеся недополученной прибылью и затратами на восстановление работоспособного состояния в течение года, у.е.:
s-G.cmj Тг+Ъс, Тг+Ьс^ тг),
J J J
где Сіп ,Стт ,Cj — фактические издержки, связанные cj-м элемен-
J уд. J уд. J уд.
том III, II и I групп, приведенные к единице наработки, у.е.;
Тг- планируемая годовая наработка ГТУ, ч.
При расчете Сщ_1 учитывается стоимость работ по замене у-го
элемента, устранению предпосылок или последствий его отказов, прямые потери продукции и пр.
Логично предположить, что элементы газотурбинных установок могут находиться в одном из трех состояний: работоспособное, плановое восстановление и неплановое восстановление. Переход из работоспособного
состояния в плановое восстановление происходит в результате события — остановка, в неплановое восстановление - отказ, обратное событие - пуск.
Полные вероятности планового (Qlrj) и непланового (?/„) восста-
новленияу'-го элемента в п ремонтах при условно постоянной эффективности восстановления эв:
Qjn = ІЬ-бу, )(1 - бу2 )-0-67/)^-)1--1
/=1
J-1
qJh = Хр-еУіхі-е/2)...а-Є/мхі-зя)'-,еУ|
/=1 где Qj— вероятность отказа (и как следствие восстановления)/-го элемента
в /-й межремонтный период.
При определении Q,-.необходимо принять во внимание существующие
закономерные тенденции изменения наработки на отказ (главным образом тренд).
Минимально возможная периодичность ремонтного обслуживания ГТУ(ДГтіп),ч:
ТС ^ АТ'тіп * тШГтіп » где Тс — наработка между двумя плановыми последовательными технологическими остановками производства азотной кислоты (промежуточная регенерация или замена катализатора в контактном аппарате и др.), ч; Тт . — наименьшая гарантированная наработка у-го элемента III
группы, ч.
Интервал планирования ремонтного цикла разбивается на межремонтные наработки, кратные ДГт}п.
Для приведения восстановительных работ по ремонтам элементов III, II и I группы к общему ремонтному циклу, рассчитываются затраты приведения для каждого элемента. Восстановительные работы элементов III группы
объединяются с /-м ремонтом. Восстановительные работы элементов II и I
групп с /-м или (/+1)-м ремонтом.
Условие экономически эффективной эксплуатации - восстановления
девяти газотурбинных установок имеет вид:
9
ScyM = ЦСхТГх -»min, (5)
где ScyM- суммарные материальные потери при функционировании в течение года совокупности ГТУ, у.е.; Сх— издержки при эксплуатации-восстановлении х-ой ГТУ, у.е.;
Тр — планируемая годовая наработка х-ой ГТУ, ч.
Последовательно задаваясь значением гарантированной вероятности безотказной работы структурных элементов газотурбинных установок, входящих в III группу, в диапазоне {0,5-0,8} с шагом h = 0,05 в среде Microsoft Excel итерационно определили минимум целевой функции (5).
В рамках данной вычислительной процедуры была предусмотрена возможность ненагруженного резервирования ГТУ и создания запаса различных элементов категорий оборудования. В первом случае затраты на проведение работ по устранению предпосылок или последствий отказов элементов III, II и I групп для одной или нескольких газотурбинных установок, находящихся в межремонтные периоды в течение года в резерве, были равны нулю при максимальных потерях продукции. Во втором случае возникали дополнительные издержки на приобретение запасных элементов.
По итогам проведенных исследований предложены технически и экономически рациональные межремонтные наработки и программа ремонтов категорий оборудования совокупности ГТУ, представлен план-прогноз их эксплуатации — восстановления в течение года в период с 2006 по 2010 гг. (см. табл. 3), составлены практические рекомендации по совершенствованию взаимодействия служб ОАО «НАК «Азот» в системе ТО и Р с учетом надежности.
Таблица З
* - Ку и Т - капитальный уменьшенный и текущий ремонт.
** Коэффициент готовности совокупности ГТУ в период испытаний равен
0,745.
Научно-методические материалы, изложенные в данной главе диссертационной работы, вследствие достаточной общности могут быть использованы при проведении мероприятий, связанных с совершенствованием программы ремонтов параллельно работающих однотипных установок на предприятиях химической промышленности.
Пятая глава посвящена разработке в среде программирования Borland Delphi 7.0 к практическому применению в ОАО «НАК «Азот» локальной версии информационной системы контроля и повышения квалификации персонала производства азотной кислоты.
В связи с тем, что причиной более 70% отказов ГТУ в период испытаний послужили различные нарушения регламентируемых норм эксплуатации и ремонта, данное направление повышения надежности объектов исследований в рамках диссертационной работы наряду с совершенствованием ТО и Р было признано ключевым.
В результате экспериментального внедрения программного обеспечения в 2005 г. суммарное число эксплуатационных и производственных отказов девяти ГТУ сократилось на 12%.
Научная новизна:
Приведена отличная от существующих методика анализа безотказности, ремонтопригодности и готовности структурных элементов объектов исследований, базирующаяся на непараметрическом статистическом аппарате.
Доказана эффективность подхода к использованию в качестве оценок показателей надежности агрегатов химических производств при наличии малых выборок робастных медианных значений.
Разработана стохастическая модель процесса эксплуатации - восстановления объекта исследований с максимальной готовностью при минимальных затратах, свободная от предположений о теоретических распределениях исходных данных.
Практическая ценность.
Представленные методы анализа обладают достаточной общностью и могут быть применены для достоверной оценки и повышения безотказности и ремонтопригодности агрегатов химических производств.
Подготовлено программное обеспечение регистрации и классификации отказов ГТУ, разработана автоматизированная система обучения и тренинга персонала производства азотной кислоты.
Предложена эффективная программа ремонтов газотурбинных установок, которая внедрена и используется в ОАО «НАК «Азот», составлены практические рекомендации по совершенствованию взаимодействия служб предприятия в системе ТО и Р.
Автор защищает:
Методические основы комплексного анализа и прогнозирования надежности ГТУ в производстве азотной кислоты.
Стохастическую непараметрическую модель процесса эксплуатации - восстановления совокупности газотурбинных установок, учитывающую значимость и вариацию надежности категорий оборудования, количество запасных частей и возможность применения ненагруженного резервирования.
Результаты классификации отказов ГТУ.
Количественные оценки показателей надежности объектов исследований и их структурных элементов.
Апробация работы и научные публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» в Казанском государственном технологическом университете в 2005 г.; Содержание работы представлено в 5 публикациях.
Общая характеристика производства азотной кислоты и его технико-экономический уровень
Производство неконцентрированной азотной кислоты под абсолютным давлением 0,716 МПа с каталитической очисткой выхлопных газов от оксидов азота в НАК "Азот" состоит из девяти агрегатов (технологических линий) мощностью 120000 т/год в пересчете на моногидрат каждый [87]. Время ввода в эксплуатацию первой очереди производства (1-3 агрегаты) -IV квартал 1972 года, второй очереди (4-6 агрегаты) - IV квартал 1974 года, третьей очереди: 7 агрегат IV квартал 1981 года, 8 и 9 агрегаты - IV квартал 1982 года.
Два агрегата выполнены по технологической схеме УКЛ-7-69 (№1 и 2), четыре - по УКЛ-7-71 (№3-6), три - по УКЛ-7-71/76 (№7-9).
В производстве применен метод единого давления как для окисления аммиака кислородом воздуха, так и поглощения оксидов азота конденсатом водяного пара или кислым конденсатом с массовой долей не более 3,0%, подаваемым на 43 тарелку абсорбционной колонны с каталитическим разложением остаточных оксидов азота в хвостовых газах и последующей утилизацией энергии тепла и давления очищенных газов в газовой турбине [78, 85, 87].
Генеральный проектировщик - Новомосковский филиал ГИАП. Днепродзержинским филиалом ГИАП выполнены технологическая, теплотехническая, электрическая и КИПиА части проекта, строительная часть - Ставропольским филиалом ГОСХИМПРОЕКТ, межцеховые коммуникации - Новомосковским филиалом ГИАП.
По технико-экономическому уровню производство неконцентрированной азотной кислоты под абсолютным давлением 0,716 МПа относится к высшей категории [78].
В процессе эксплуатации объектов осуществлены следующие конструктивные изменения в их технологической схеме [87]:
В 1993 году в агрегатах №1,2 произведена замена аппаратов очистки воздуха на трехсекционные двухступенчатые фильтры, а также поролито-вых элементов, очищающих аммиачно-воздушную смесь, на каркасы из нержавеющей стали, обмотанные стекловолокном УСТВ и ТСФ/Б/-7с.
В 1988 - 1993 гг. установлены эжекторные смесители аммиака и воздуха. В 1986 году по проекту НАК "Азот" пущена в работу установка подачи кислого конденсата на 43 тарелку абсорбционных колонн. В 1989-1995 гг. воздухоохладители марки ВОТ 229x2 в связи с их неудовлетворительной работой заменены на воздухоохладители с большей поверхностью теплообмена. В 1989-1996 гг. произведена замена котлов-утилизаторов КУН-24 и Г-335БП на котлы Г-420БПЭ и Г-420БПЭ-М. В 1989 г. перевели на двухступенчатое окисление аммиака агрегат №4, а в 1990 г. - агрегат №5.
Агрегаты УКЛ-7 компактны, все аппараты транспортабельны. Узловые решения технологической схемы взаимосвязаны и взаимообусловлены. Энергетический цикл всех агрегатов автономен.
Турбокомпрессорное оборудование производства азотной кислоты
Газовая технологическая турбина ГТТ-ЗМ представляет собой тепловой двигатель, работающий по открытому циклу с промежуточным охлаждением [87]. Схема работы ГТТ-ЗМ приведена иарис. 1.1 [85].
Воздух засасывается осевым компрессором / через фильтры и сжимается в нем до давления 0,22-0,28 МПа, нагреваясь при этом до температуры не более 175 С. Затем проходит воздухоохладитель 7, где охлаждается до температуры не более 70 С за счет теплообмена через стенку оребренных труб водой, поступающей в цех из отдельного оборотного цикла, с начальной температурой не более 28 С. Далее направляется в центробежный нагнетатель 5, в котором дожимается до давления 0,4-0,8 МПа, нагреваясь при этом до температуры не более 143 С. Из нагнетателя основное количество воздуха направляется на производство азотной кислоты, возвращаясь оттуда в виде хвостовых газов при температуре 705 - 730 С и под давлением 0,5 - 0,6 МПа.
Перед турбиной хвостовые газы охлаждаются до температуры 700 С в результате смешения с воздухом из нагнетателя 5, который проходит для этой цели камеру сгорания 3. Полученная смесь попадает в турбину 2, где расширяется до давления, близкого к атмосферному, при этом температура газа снижается до 400 - 408 С. Отработавшие в турбине газы проходят через котел-утилизатор, отдают часть тепла для выработки пара и через дымовую трубу уходят в атмосферу.
Полученная в результате расширения газов механическая энергия затрачивается на сжатие воздуха в осевом компрессоре и центробежном нагнетателе, а оставшаяся часть - через редуктор 6 передается электродвигателю 4 для выработки электроэнергии. Количество избыточной мощности зависит от количества воздуха, отбираемого на производство, увеличиваясь по мере уменьшения отбора.
Планирование определительных испытаний на надежность объектов исследований
Цель планирования испытаний заключается в определении необходимого объема наблюдений для осуществления расчета численных значений показателей надежности с требуемыми точностью и достоверностью.
При планировании испытаний необходимо учитывать сведения, содержащиеся в эксплуатационной и ремонтной документации оборудования, на котором проводится подконтрольная эксплуатация. Исходя из этого, планирование испытаний должно предусматривать [77-78]: 1. план испытаний; 2. условия эксплуатации и режим работы объекта; 3. номенклатуру показателей, которые необходимо оценить.
В соответствии с [77-78] для совокупности ГТУ выбираем план испытаний NMr в предположении произвольности законов распределения показателей надежности. Под объемом испытаний для плана NMr понимается число объектов N и число отказов г испытываемых объектов.
Исходные данные для расчета г при оценке наиболее важного показателя надежности - коэффициента готовности Кг [78]: - предельная относительная ошибка S; - доверительная вероятность q\ - предполагаемый коэффициент вариации v распределения наработки между отказами; - предполагаемый коэффициент вариации VB распределения времени восстановления.
При S = 0,10, q = 0,95, v = 0,6 (сочетание внезапных и деградационных отказов), VB - 0,6 (сложная структура ремонтных простоев) в соответствии с [78] число отказов газотурбинных установок для оценки коэффициента готовности г = 200.
В табл. 2.1 приведены значения числа отказов объектов исследований в период испытаний.
Из табл. 2.1 следует, что суммарное количество отказов составляет 765 ( 200). Следовательно, выбранный объем испытаний позволяет оценить коэффициент готовности и другие характеристики надежности объектов исследований с требуемыми точностью и достоверностью.
В табл. 2.1 обращает на себя внимание значительное отклонение числа отказов ГТУ в агрегатах №7 и №8 от среднего значения по совокупности.
При проведении количественного анализа эксплуатационной надежности оборудования газотурбинных агрегатов в производстве азотной кислоты в соответствии с выбранным непараметрическим подходом к проведению исследований целесообразно рассмотреть следующие критерии, отражающие их реальное техническое состояние: - средняя (медианная) наработка на отказ категории оборудования, ч: t = med{tj,ecel i n}, (2.1) где t; — і - ая наработка на отказ, ч; п — размер выборки. - среднее время восстановления работоспособного состояния категории оборудования, ч: tg = теd B. ,все\ / «], (2.2) где tB. — / - ое время восстановления, ч. - средняя трудоемкость восстановления работоспособного состояния категории оборудования, чел ч: Трв = med\TpB.,ece\ i nj, (2.3) где Трв. — і - ая трудоемкость восстановления, чел ч. - коэффициент готовности категории оборудования: Кг = med в, t, - tl+ B,-l -,ecel i n (2.4) где Эв - (i-1) - ая единая групповая экспертная оценка текущей эффективности восстановления.
Традиционно Кг вычисляется как отношение / к сумме / и ґ#, представляя собой точечную, осредненную характеристику для определенного промежутка времени. Однако, использование формулы, регламентированной стандартом, приводит к смещению оценки коэффициента готовности. Применение (2.4) позволяет избежать подобного смещения. Экспертная характеристика Эд позволяет более точно идентифицировать сущность процесса эксплуатации - восстановления конструктивно однотипного, но индивидуального с точки зрения надежности оборудования, информация о неисправностях которого недостаточно полная и достоверная.
Результаты классификации отказов ГТУ по критерию, причине, категории тяжести последствий, обусловленности отказами другого оборудования в производстве азотной кислоты и внешними причинами, а также развитию во времени приведены нарис. 2.3-2.7.
В процессе анализа было принято решение категорировать независимые отказы ГТУ в девять следующих информационных групп: 1. турбокомпрессор; 2. редуктор; 3. электродвигатель; 4. нагнетатель; 5. камера сгорания турбины; 6. система трубопроводов газовоздушного тракта; 7. система регулирования и защиты, КИПиА; 8. маслосистема; 9. воздухоохладитель.
Распределение числа и удельных весов отказов категорий оборудования ГТТ-ЗМ представлено нарис. 2.8 и табл. П.2.1. При классификации отказов ошибки эксплуатационного и ремонтного персонала рассматривали применительно к конкретным категориям оборудования.
Логико-математическое описание причинно-следственных связей
В основе количественного анализа дерева отказов лежат ключевые теоремы теории вероятностей и теории множеств, согласно которым [18, 60, 86]: 1. для любых п событий вероятность того, что произойдет хотя бы одно из них: Q(Xl + Х2+... + Хп) = YQiXi)- t j QiXi xXj) + /=1 i=lj=i+l + Z I fJQ{XixXjxXk) + ... + (-\)n+lQ(XlxX2x...xXn) /=1 /=/+1 =7+1 2. для n несовместных событий вероятность того, что произойдет хотя бы одно из них: Q(xl+x2 +...+х„)= SG№) /=1 3. для любых п событий X], Х2, ... Х„, у которых Q(X\ х Х2 х — х Хп) 0, справедливо соотношение: Q(XX хХ2 x...xXn) = Q(Xl)Q(X2\Xl)Q(X3\Xl хХ2)... ...Q(Xn\XlxX2x..Xn_l) 4. вероятность совместного осуществления п независимых событий: Q(XX хХ2х...хХп) = Q{Xx)Q{X2)...Q{Xn) 3.3. Построение и качественный анализ событий дерева отказов объектов исследований
Конечным событием в структуре дерева отказов является отказ ГТУ, исходными событиями — отказы единиц оборудования, их элементов, внешние воздействия, ошибки эксплуатационного и ремонтного персонала. «Отказ газотурбинной установки» - А произойдет при наступлении одного из следующих событий: - нарушение работоспособности турбокомпрессора - В1; - нарушение работоспособности центробежного нагнетателя — В2; - нарушение работоспособности редуктора -ВЗ; - нарушение работоспособности разгонного двигателя - В4; - погасание факела в КСТ — В5; - повышение температуры газов перед турбиной до 720-740 С - Вб. Таким образом, отказ производственного процесса можно представить в виде булевого тождества: A =B1\JB2UB3 \JB4 [}B5\JB6 Дерево отказов газотурбинной установки в производстве азотной кислоты представлено яг.рис. 3.2 иП.3.1.
Интенсивный износ рабочих колодок подшипников скольжения обусловлен действием сверхнормативных циклических нагрузок, возникающих при неритмичной работе ГТУ (количество случаев прохождения критических частот вращения ротора более 24 в год), нарушениями номинального температурного режима эксплуатации пар трения и наличием большого количества твердых примесей в циркуляционном масле, являющихся следствием повышенной загрязненности оборотной воды.
Разрушение рабочих колес ротора нагнетателя носит однотипный характер и заключается в появлении и развитии усталостной трещины от наружного диаметра диска к внутреннему по радиусу с последующим вырывом куска периферийной части диска. Трещина во всех случаях проходит через место сопряжения лопатки с диском на наружном диаметре колеса с нерабочей стороны лопатки. В месте начала трещины имеется сильный концентратор напряжений, включающий несколько факторов: острая кромка, подрез резцом при обработке по наружному диаметру колеса, малый радиус переходя от лопатки к диску, недостаточная чистота обработки поверхности.
Частое выкрашивание зубьев шестерен редуктора связано со значительными контактными нагрузками в зубчатых парах, являющимися следствием неритмичной работы ГТУ, частых пульсаций подачи и давления воздуха в турбокомпрессоре при наличии концентраторов напряжений в металле -питтингов.
в) Нарушение работоспособности турбокомпрессора: D1 -аварийная потеря мощности турбины, передаваемой от электродвигателя; D2 — аварийная потеря мощности турбины, вызванная выпадением лопаток; D3 —утечка смеси газов перед турбиной или в турбине; D4 - попадание воды и грязи в турбину; Е1 - недопустимая радиачьная и осевая вибрация муфтового соединения «турбина —редуктор»; Е2 — попадание посторонних предметов в турбину; ЕЗ -разгерметизация линии смеси газов от КСТ до турбины; Е4 -разгерметизация корпуса турбины; Е5 - перенос воды и грязи по воздуховоду от нагнетателя; G1 -разрушение элементов муфтового соединения; G2 — недопустимое нарушение номиначьного режима эксплуатации технологической части производства азотной кислоты; G3 - остаточная деформация замкового устройства; G4 - коробление и разгерметизация фланцевого соединения; G5 - образование термических трещин; G6 -утечка загрязненной воды из межтрубного в трубное пространство воздухоохладителя
г) Нарушение работоспособности турбокомпрессора: D5 - ложное срабатывание блокировки; D6 - нарушение номинального режима эксплуатации пар трения; Е6 - сильная пульсация подачи и давления масла; Е7 - повышение температуры масла после маслохолодильника ( 45 С) ; F1 -утечка загрязненного масла в маслосистеме; F2 - загрязнение маслосистемы; F3 — утечка оборотной воды в маслохолодилышке и водоводах; G7 — неисправность термометра термоэлектрического ТХК-0515; G8 - неисправность электропотенциометра с сигнальным устройством КСП-4И; G9—механический отказ главного масляного насоса; G10 -разгерметизация фланцевого соединения; Gil -разгерметизация сальникового уплотнения; G12 - разгерметизация лабиринтного уплотнения; G13 -недопустимое загрязнение трубного и межтрубного пространства маслохолодильника; G14 - недопустимое загрязнение масляных фильтров, маслопроводов и арматуры; G15 - недопустимое загрязнение всаса главного масляного насоса; G16—резкое повышение температуры оборотной воды на входе в отделение компрессии ( 40 С); G17 -резкое падение давления оборотной воды на входе в отделение компрессии ( 0,3-0,35 МПа); G18 - недопустимое загрязнение трубопровода оборотной воды на маслохолодильник по трубному пространству
д) Нарушение работоспособности турбокомпрессора: D7 - наличие увеличенных подшипниковых зазоров; D8 - аварийный радиальный дисбаланс ротора; D9 -увеличение осевого разбега ротора; G19 - некорректная установка зазоров в ремонт; G20 - недопустимая выработка посадочных мест под подшипники скольжения (ПС); G21 — износ или остаточная деформация элементов ПС; G22 — смещение балансировочных грузов; G23 — повышенный остаточный прогиб ротора; G24 - остаточная деформация упорного диска ротора; G25 - неисправность электроконтактного манометра ЭКМ-1У (ложное срабатывание блокировки)
Разработка математической модели экономически эффективной эксплуатации-восстановления газотурбинной установки
Основным путем повышения надежности оборудования в условиях эксплуатации является профилактика. Существует несколько методов назначения сроков профилактического ТО и Р: календарный, регламентный, комбинированный и по техническому состоянию.
Календарный метод подразумевает проведение профилактики в зависимости от календарного времени эксплуатации объекта, регламентный — при достижении определенной наработки, комбинированный - при сочетании календарного и регламентного методов, по техническому состоянию — в случае приближения определяющего параметра к отказу или границе допуска.
В данной работе формулируются методические основы управления процессом ремонта ГТУ с учетом надежности оборудования в реальных условиях эксплуатации производства азотной кислоты, содержащие следующие этапы: 1. формирование групп структурных элементов газотурбинных устано вок по тяжести последствий профилактически устранимых отказов: - III - отказ, который влечет за собой значительный ущерб, срыв выполняемой задачи; - II - отказ, который влечет задержку выполнения задачи, снижение готовности и эффективности;
1 отказ, который влечет снижение качества функционирования;
2. создание вероятностной модели процесса эксплуатации восстановления газотурбинной установки с максимально возможной готов ностью при минимальных финансовых издержках;
3. совершенствование существующей программы ремонтов совокупности ГТУ в ОАО «НАК «Азот»;
4. составление практических рекомендаций по взаимодействию служб и подразделений предприятия в системе надежности.
Группирование структурных элементов ГТУ выполняется на основе классификации тяжести последствий только постепенных отказов оборудования, обусловленных различными видами износа, т.е. профилактически устранимых (см. главу 2). Внезапные отказы объекта исследований, связанные с ошибками эксплуатационного и ремонтного персонала, сбоями КИПиА, в рамках данной процедуры не рассматриваются.
При определении ремонтного цикла условимся считать отсрочку проведения операций по восстановлению работоспособности элемента ГТУ, вошедшего при ранжировании в III группу, по истечении установленной с учетом надежности нормы времени недопустимой. На выполнение ремонта элемента II группы устанавливаем возможный допуск - ±10% экономически рациональной наработки, I группы - ±20%.
Величину эффективности восстановления работоспособного состояния Эв для всех структурных элементов объекта исследований на период планирования ремонтного цикла принимаем постоянной и равной 0,85.
Разработка математической модели экономически эффективной эксплуатации-восстановления газотурбинной установки Газотурбинная установка представляет собой техническую систему, которая состоит из множества элементов Є. Множество 0 включает подмножество элементов III группы - 0П1, II группы - 0П и I группы - 0j.
Материальные потери при эксплуатации-восстановлении ГТУ, выражающиеся недополученной прибылью и затратами на восстановление работоспособного состояния в течение года: = (1 ГГ + ЕС;; Гг+1Су ГГ (4.1) j J J где Сш . , Си . и Сі. - издержки при эксплуатации-восстановлении J уд. J уд. J уд. у -го элемента III, II и I групп, приведенные к единице наработки, у.е.; Тг- планируемая годовая наработка агрегата, ч.
В процессе эксплуатации элементы оборудования ГТУ могут находится в одном из трех состояний: 1) работоспособное; 2) плановое восстановление; 3) неплановое восстановление.
Переход из работоспособного состояния в плановое восстановление происходит в результате события — остановка; в неплановое восстановление - отказ; обратное - пуск. В течение первого ремонтного периода Тр вероятность отказа и, как следствие, непланового восстановленияу -го элемента: т qJH =qj,= ]fk(t)dt (4.2) 1 о Восстановление /-го элемента в период первого планового ремонта возможно при совместном появлении следующих событий: 1. отсутствие отказа элемента в течение наработки Т/ ; 2. устранение предпосылок отказа в плановый ремонт (обнаружение и ликвидация недопустимого деградационного явления или проведение обязательных регламентирующих работ).
Поскольку эти события зависимые, вероятность восстановления элемента в период первого планового ремонта равна произведению вероятности того, что элемент не откажет {І-qj ) за наработку Тр на условную вероятность устранения предпосылок отказа в полном объеме в плановый ремонт (Эв): 4in,=( -4j,)3B (4.3) Вероятность Эв зависит от наличия и совершенства средств диагностирования, квалификации ремонтного персонала и, в общем случае, находится в пределах:
