3 Метод исследования работоспособности хтс
Не поленимся и не пожалеем места в монографии и еще раз изложим общую концепцию решения проблемы надежности (работоспособности) систем.
Концепция исследования работоспособности ХТС
Система производства сырья, полупродуктов, предметов потребления в сочетании с системой распределения, системой финансов и культурой трудовых ресурсов страны (региона) образует ту макросистему, внутри которой функционирует химико-технологическая установка (ХТС).
Макросистема возмущаетХТС на всех ее жизненных стадиях: от создания до демонтажа. И эти возмущения рассматриваются какполеэлементарных, случайных событий.
Количественные параметрыкачества ХТС (работоспособность, себестоимость, прибыль, норма прибыли, экологическая безопасность и т.д.) объявляютсясложными случайнымисобытиями над полем элементарных.
Химико-технологическая установка рассматривается как система.Системные свойства ее, их влияние на поведение частей, характер взаимодействия самих частей установки будем распознавать путеммоделирования и численного эксперимента.
3.1 Объект исследования− химико-технологические системы (ХТС).
3.2 Цели исследования (анализа, экспертизы):
разработка метода исследования работоспособности ХТС для контроля, ревизии и/или управления качеством установок;
расчет вероятности работоспособности ХТС и ее частей;
разработка рекомендаций и предложений по увеличению качества разработки ХТС;
расчет экономических и экологических показателей ХТС с учетом случайных отказов и простоев ХТС.
3.3 Место исследования работоспособности хтс:
предпроектная стадия разработки новых ХТС (это связано с тем, что после разработки проекта изменить работоспособность ХТС в принципе невозможно, а проектные работы и вся последующая разработка и создание ХТС очень капиталоемкие, и при низкой работоспособности ХТС эти затраты станут бессмысленными);
структурное (организованное) управление работоспособностью при разработке и создании ХТС;
модернизация действующих ХТС;
реанимация ранее остановленных ХТС;
менеджмент (определение инвестиционного риска создания ХТС, определение величин страхового взноса и частоты его платежа, конкурсы инвестора между фирмами-разработчиками ХТС, реклама фирм-разработчиков ХТС, демонстрирующих качество своего изделия перед инвесторами и покупателями).
3.4 Метод исследования работоспособности хтс
3.4.1Гипотезы и предпосылки метода
1. Все социально-организационные причины внезапных остановок и последующих простоев ХТС находятся вне нашего рассмотрения. Этими причинами должна заниматься сама макросистема, а не разработчики ХТС.
2. Проектная работа, строительные и монтажные дела проведены на профессиональном высочайшем уровне и не являются причинами внезапных остановок и простоев промышленной установки. Все используемое при монтаже оборудование не имеет ни явных, ни скрытых дефектов. Следовательно, и эти обстоятельства являются заботой макросистемы, а не разработчиков промышленной установки.
3. Обслуживающий персонал грамотен, высоко квалифицирован, трезв, неукоснительно выполняет технологическую дисциплину и правила техники безопасности, проявляет инициативу и энтузиазм, добиваясь надежной и стабильной работы ХТС. Следовательно, людские ресурсы, их качество, культура - забота макросистемы, а не разработчиков промышленной установки.
4. Деградационные, деструктивные процессы в деталях, узлах аппаратов и их последствия для ХТС находятся вне нашего рассмотрения (повторим еще раз).
5. Метод исследования работоспособности
ХТС основан на стационарном приближении.
Это по существу означает, что мы не
занимаемся динамикой переходных
процессов переноса после акта внешнего
воздействия со стороны внешней среды,
в которую погружена ХТС. С точки зрения
теории обобщенного анализа [2,43] эта
гипотеза имеет следующий смысл. Пусть
t*- максимальный
натуральный масштаб времени процессов
переноса во всей ХТС. Тогда, согласно
определению понятия натурального
масштаба [2], через время 10×t*переходные процессы совершатся во всей
своей потенциальной полноте и выйдут
на новый стационарный режим после
ступенчатого внешнего воздействия.
Cогласно этой гипотезе, метод экспертизы
работоспособности ХТС занимается только
этими стационарными состояниями. Такой
подход вполне корректен, если внешние
воздействия со стороны макросистемы
происходят с шагом по времени
,
что, как мы отметили выше, и наблюдается
в практике эксплуатации промышленных
объектов.
Комментарий к предпосылкам метода [44]
Показательна реакция ИТР различных заводов и предприятий, где рассказывался сам метод исследования. Услышав первые три гипотезы, инженеры дружно «ахали»: «Ну, и отчего же тогда наши установки внезапно останавливаются?».
1. Первые три предпосылки позволяют нам откреститься от социально- организационного хаоса и беспорядка вокруг промышленного объекта, т.е. убрать ненаучно- технические воздействия на систему. Исследования причин внезапных остановок и последующих за ними простоев ХТС [24], на примере 9 действующих однотипных производств показали следующее. Если все остановки этих производств за год обозначить за 100%, то 50%-75% из них произошли из-за хаоса в макросистеме: то нет сырья, энергии, пара, оборотной воды. То нет транспорта для вывоза готовой продукции, а все бункера заполнены, то люмпен-рабочий с помощью лома “ремонтирует” исполнительный механизм системы автоматики или с помощью трубы открывает задвижку на газоходе и, конечно, ломает арматуру, то монтажники забыли телогрейку в подрешеточном пространстве гранулятора с псевдоожиженным слоем, а мы при пуске “варим козлов”, то те же монтажники разбрасывают огрызки электродов во все стороны, а они потом попадают из емкостей в центробежные насосы и в исполнительные механизмы системы автоматики. Ну, и причем здесь надежность установок? Поэтому мы будем заниматься остановками и отказами, которые обусловленынаучно-техническими обстоятельствами, действующими при разработке и создании ХТС.
2.Последняя гипотеза метода (стационарный подход) делается не от стремления к хорошей жизни, а из-за осознания огромных интеллектуальных и информационных трудностей разработки корректной и адекватной математической модели динамики процессов переноса во всейХТС да еще с учетом какой-то конкретной системы автоматического управления. Действительно, во время пусковых работ установки грануляции нитрат-сульфатных солей с применением гранулятора псевдоожиженного слоя огромная производственная необходимость своевременного пуска заставила нас разработать модель динамики всей установки (156 уравнений с граничными условиями, часть задач - краевые). Обработка этой модели методом натуральных масштабов [2] позволила получить величины этих масштабов, осознать лимитирующие процессы и далее совершить успешный пуск установки. Но разрабатывать модель динамики ХТС для всех случаев исследования работоспособности – совершенно непосильная задача.
3.Стационарность метода, по умолчанию, предполагает существование хоть одного стационарного состояния ХТС. На самом деле суть проблемы много тоньше и глубже.
Представим себе, что произошел интеллектуальный взрыв, и удалось разработать математическую модель динамикипроцессов, происходящих в ХТС, с учетом какой-то АСУ. Пользуясь методами качественной теории дифференциальных уравнений [45], найдем все точки равновесия нашей динамической системы уравнений и совершим невозможное: построим многомерный фазовый портрет. В общем случае некоторые точки равновесия будут в конечной части фазового пространства, другие расположатся на¥. Часть точек равновесия в конечной части фазового пространства будут устойчивыми, остальные - неустойчивыми. Неустойчивые состояния равновесия физически не реализуются, поэтомувсе траекториипри любых начальных условиях будут стремиться к своим устойчивым точкам равновесия, и, в конце концов, исследуемая система придет в какое-то стационарное и устойчивое состояние.
Теперь будем задавать недоуменные вопросы абстрактного теоретика:
а) Когда химики-технологи и машиностроители разрабатывали ХТС, то у них номинальное (проектное) состояние установки находится в устойчивой точке равновесия или в неустойчивой? Так как неустойчивые состояния равновесия физически не реализуются, то в последнем случае пусковая бригада никогдане выведет ХТС на номинальный режим. Более того, при одном пуске ХТС будет приходить в одну точку устойчивого состояния равновесия, при другом − в другую.
б) Даже если разработчики ХТС твердо уверены, что номинальный режим ХТС соответствует устойчивой точке равновесия, то какова должна быть траектория пуска и ее начальные условия, чтобы можно было бы попасть обязательно в этуточку равновесия?
Сделаем небольшое пояснение. Начальные условия системы дифференциальных уравнений с математической точки зрения конкретизируют одно частное решение среди бесконечного множества решений. Для пусковой бригады начальные условия − это состояние ХТС перед пуском: избыточное давление всюду нулевое, температура всюду равна температуре окружающей среды, линейные скорости потоков всюду нулевые, концентрации химических веществ всюду нулевые и т.д. Далее, пусковая бригада назначает траекториюпуска: сделать сначала это и добиться того-то, затем выполнить то и достичь того-то и т.д. Цель пусковой бригады состоит в том, чтобы найти такую траекторию пуска ХТС (последовательность действий и их результатов), которая приведет в номинальный (проектный) устойчивый режим работы.
С другой стороны, качественная теория дифференциальных уравнений утверждает и наглядно показывает, что для любых начальных условийв фазовом пространстве траекторий существуюттакие подмножества(а значит, и их точки устойчивого равновесия), которые в принципе не доступны для частных решений (траекторий) с такими начальными условиями. Следовательно, как бы не стараласьпусковая бригада, нодостичьноминальногорежимаХТС в такой ситуации она сможеттолько случайно.
В этих обстоятельствах (а также см. п. 1) поступают следующим образом. Когда уже все терпимые сроки пусковых работ прошли, когда измучалась пусковая бригада и устали заводчане, тогда пусковая бригада нащупывает хоть какой-нибудьдоступный устойчивый режим работы установки, показывает заводу, что установка хорошо работает трое суток(требование ГОСТа)на этом режиме. После этого объявляется, чтоустановка сдана заводу в эксплуатацию.Конечно, показатели работы ХТС не равны проектным (по производительности и качеству целевого продукта). И по «законам» Паркинсона с Мерфи всегда хуже проектных. А планирующие органыпо фактупусковых работ назначают заводу плановые показатели, которые, конечно, ниже проектных.
в) Предполагают ли создатели ХТС бифуркационность поведения своего изделия?
Поясним этот вопрос, а суть дела в следующем. В качественной теории дифференциальных уравнений различают грубые и не грубые состояния равновесия. Грубыми называют такие состояния равновесия, которые не меняют свою локальную топологическую структуру при любых малых добавках к правым частям дифференциальных уравнений.Соответственно, негрубые - меняют. Последние еще получили название точек бифуркаций [46, 47].
Чисто внешне бифуркационные точки равновесия обладают тем свойством, что при подходе к ним с одной стороны они ведут себя как устойчивые точки равновесия, все траектории как бы стремятся к ней. Если же подходить к точке бифуркации с другой стороны, то она ведет себя, как неустойчивая точка равновесия.
Физически точки бифуркации не реализуемы, так как на всякий объект всегда действует много малых возмущений, естественно, не учтенных в модели. Математически это означает, что при одном комплекте малых возмущений точка бифуркации разваливается, делится на две грубые точки равновесия (устойчивую и не устойчивую), расположенные очень близко друг к другу в фазовом пространстве. При другом комплекте малых возмущений эта точка бифуркации просто исчезает ивесь фазовый портрет кардинально скачком изменяется.Это послужило основанием обозвать такую ситуацию “катастрофой” [48].
Чтобы показать, что все эти математические изыски не являются плодом воспаленного параноидального мышления математика, отметим, что поведение частиц зернистого материала в псевдоожиженном слое сугубо бифуркационно, что этим можно активно пользоваться, создавая “катастрофы” у теплообменной поверхности в слое с целью интенсификации теплообмена [47].
Другой пример - состояние псевдоожиженного слоя при критической скорости псевдоожижения. Достаточно хлопнуть дверью лаборатории, где стоит аппарат с таким слоем, или просто легко стукнуть карандашом по стенке аппарата, как появляется “пузырь” и слой становится неоднородным.
Если номинальный режим работы ХТС представляет собой бифуркационную точку равновесия в фазовом пространстве, то в процессе пусковых работ при подходе к желанному режиму ХТС начинает вести себя совершенно непредсказуемо, вот уж действительно “взбесившийся мустанг”. Срабатывает защитная блокировка ХТС, и установка принудительно останавливается. По словам очевидцев пуска линии АК - 72, тираж которой примерно 1,5 десятка, так вели себя при пуске некоторые из этих линий. Их не удалось вообще запустить. Так лучше затратить немного денег, времени и ума на анализ работоспособности, чем выбросить миллионы на создание неработоспособной ХТС.
Возвращаясь к 5-ой гипотезе в основе метода исследования работоспособности ХТС, ликвидируем все умолчания: номинальный (проектный) режим работы ХТС находится в грубой устойчивой точке равновесия, доступной для нулевых начальных условий.Изменение характеристик ХТС просто смещает эту точку равновесия в фазовом пространстве параметров состояния технологического потока.
Суммируя все пять гипотез, лежащие в основе метода исследования работоспособности ХТС, можно сказать, что исследуемая ХТС - вечно новая, вечно юная и что получаемые в конце процедуры величины оценок количественных показателей качества ХТС (вероятность работоспособности, себестоимость целевого продукта, экологическое давление на природу и т.д.) экстремальны. Лучше не будет ни при каких обстоятельствах, так как реально макросистема, в которую погружена ХТС, уж очень несовершенна (см. первые три гипотезы) даже в развитых странах.