Гипотезы 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 не научно- 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 обусловлены научно-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 всей ХТС 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 динамики процессов, 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, поэтому все траектории при 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 никогда не 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 эту точку 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 траекторию пуска: 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 условий в фазовом пространстве траекторий существуют такие 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 старалась пусковая бригада, но достичь номинального режима ХТС в такой ситуации она сможет только 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-нибудь доступный устойчивый режим работы установки, показывает заводу, что установка хорошо работает трое суток (требование ГОСТа) на этом режиме. После этого объявляется, что установка 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 органы по факту пусковых 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 и весь 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.