Оглавление
| Вместо предисловия или философские излияния автора........................................................ | |
| «Товарность» монографии.......................................................................................................... | |
| 1 Введение. Термины и определения......................................................................................... | |
| 2 Состояние проблемы................................................................................................................. | |
| 2.1 Выводы из анализа литературы............................................................................................ | |
| 2.2 Концепция исследования работоспособности ХТС........................................................... | |
| 2.3 Состояние макросистемы и проблема надежности ХТС («Кадры решают все»)............ | |
| 3 Метод исследования работоспособности ХТС...................................................................... | |
| 3.1 Объект исследования............................................................................................................. | |
| 3.2 Цели исследования................................................................................................................. | |
| 3.3 Место исследования работоспособности ХТС.................................................................... | |
| 3.4 Метод исследования работоспособности ХТС................................................................... | |
| 3.4.1 Гипотезы и предпосылки метода....................................................................................... | |
| 3.4.2 Блок – схема алгоритма метода.......................................................................................... | |
| 3.4.3 Рассмотрение каждого блока в алгоритме метода........................................................... | |
| 3.4.3.1 Исходные данные............................................................................................................. | |
| 3.4.3.2 Установление множества заданных параметров.......................................................... | |
| 3.4.3.3 Разработка физико-химико-процессно-математической модели................................ | |
| 3.4.3.4 Разветвление: «Хватает ли количественной информации?»...................................... | |
| 3.4.3.5 Установление множества внешних воздействий......................................................... | |
| 3.4.3.6 Разработка алгоритма расчета каждого заданного параметра в функции от всех внешних воздействий.................................................................................................................. | |
| 3.4.3.7 Проверка адекватности модели ХТС и программы расчета........................................ | |
| 3.5 Методика, организация и инструментарий проведения численного эксперимента...... | |
| 3.5.1 Расчет оценки вероятности работоспособности ХТС и ее частей................................. | |
| 3.5.2 Поиск наиболее влиятельных, вредоносных для работоспособности внешнихвоздействий................................................................................................................... | |
| 3.5.3 Поиск наиболее чувствительных заданных параметров к изменению внешнихвоздействий................................................................................................................... | |
| 3.5.4 Расчет вероятностей отказов и их классификация по последствиям............................ | |
| 4 Практика применения метода исследования работоспособности ХТС.............................. | |
| 4.1 Линия производства керамзитового песка в двухзонных печах псевдоожиженного слоя мощностью 50 тыс. м3/год........................................................................................................... | |
| 4.1.1 Множество заданных параметров..................................................................................... | |
| 4.1.2 Результаты исследования работоспособности................................................................. | |
| 4.1.3 Разработка рекомендаций по увеличению вероятности работоспособности установки. | |
| 4.1.4 Экспериментальная проверка рекомендаций.................................................................. | |
| 4.1.5 Повторное исследование работоспособности.................................................................. | |
| 4.2 Линия производства концентрированной серной кислоты под единым давлением из природной серы мощностью 700 тыс. т/год.............................................................................. | |
| 4.2.1 Комментарий к результатам исследования работоспособности К – 700...................... | |
| 4.3 Линия производства серной кислоты методом двойного контактирования и двойнойабсорбции (ДКДА) из природного серного колчедана мощностью 360 тыс. т/год | |
| 4.3.1 Комментарий к результатам исследования работоспособности линии ДКДА............ | |
| 4.4 Работоспособность установки пиролиза бытовых отходов.............................................. | |
| 5 Типичные причины низкой работоспособности ХТС.......................................................... | |
| 5.1 Последовательность разработки и создания ХТС............................................................... | |
| 5.2 Обсуждение последовательности разработки ХТС и выводы.......................................... | |
| 5.3 Тенденции развития ХТС и их влияние на работоспособность....................................... | |
| 5.4 Общие выводы из анализа причин малой работоспособности ХТС................................ | |
| 6 Предложения и рекомендации по увеличению работоспособности ХТС.......................... | |
| 6.1 Взаимоотношение категорий надежности и эффективности ХТС................................... | |
| 6.2 Взаимосвязь процесса разработки ХТС и контроля ее работоспособности.................... | |
| 6.3 Замечания к расчету экономической эффективности ХТС............................................... | |
| 7 Тактические предложения и рекомендации по увеличению работоспособности ХТС.... | |
| 7.1 Децентрализация управления расходом технологического потока в ХТС..................... | |
| 7.2 Подгонка теплообменных поверхностей............................................................................ | |
| 7.3 Выборочный отказ от использования стандартного оборудования................................. | |
| 7.4 Обрыв обратных положительных связей............................................................................ | |
| 7.5 Исключение параллельной запитки нескольких потребителей массовыми потоками.. | |
| 7.6 Применение «ненужной» аппаратуры................................................................................. | |
| 7.7 Применение «ненужных» химических превращений....................................................... | |
| 7.8 Ограничение величин отклонений заданных параметров................................................ | |
| 7.9 Надежность ХТС и ее АСУ ТП............................................................................................. | |
| 7.10 Решение проблемы оптимальной работоспособности ХТС............................................ | |
| 8 Ограничения в использовании метода анализа работоспособности ХТС.......................... | |
| 9 Перспектива работ по исследованию работоспособности ХТС.......................................... | |
| Заключение................................................................................................................................... | |
| Приложение 1 Пример построения модели для метода исследования работоспособности ХТС | |
| Приложение 2 Себестоимость целевого продукта ХТС.......................................................... | |
| Приложение 3 Экологическое давление ХТС на природу...................................................... | |
| Перечень используемых определений понятий........................................................................ | |
| Библиография............................................................................................................................... |
Вместо предисловия или философские излияния автора
Зачем люди пишут научно-технические монографии? Наверное, затем, чтобы осчастливить человечество новой информацией, новыми идеями и представлениями, полезными и подчас необходимыми в деле созидания, предложить читателю навыки и методы, новый взгляд на проблему, позволяющий решать практически важные задачи.
Вторая причина - систематизация знаний. До монографии знания по какому-то предмету представляли собой эдакую кучу, калейдоскоп, в котором одни и те же цветные стекляшки образуют то одну, то другую картинку. Монография же – это уже мозаичная картина со своей композицией, сюжетом, цветовой гаммой. При взгляде издалека на такую мозаику виден смысл, идея автора, появляются знакомые ассоциации, начинают возникать те чувства, эмоции, которые хотел вызвать автор. Если же подойти к мозаике совсем близко, то видны лишь одноцветные пластинки. Каждая из них – снова какие-то детали и подробности, которые автору неизвестны, а потому одноцветны.
Само слово «надежность» происходит от слова «надежда», а оно от слова «ждать». Созидая что-то, принимая какое-то решение, мы ждем определенного результата. Ожидая этот результат, мы подсознательно понимаем некую неопределенность, понимаем, что не все учли, не все познали, что исходная информация не полна и сама слишком низкого качества.
Если посмотреть на историю культур многих народов, этносов глазами специалиста по надежности («надежника»), то нельзя не увидеть, что люди только надежностью и занимаются. Если шаман, колдун или старейшина не ошибается с определением срока сева хлеба, то осенью племя имеет хороший урожай, дети здоровы, старики живы, а молодежь играет свадьбы. Если ошибается, да еще 2-3 года подряд – племя вымирает. Надежность предсказаний здесь тождественна жизни.
Когда люди осознали, что убить и отнять много эффективнее собственного каждодневного, мучительного труда землепашца, скотовода или ремесленника, то они стали воевать и делают это до сих пор. Сразу встала проблема надежности воинов, их физической, моральной и нравственной подготовки. Сразу встала проблема надежности полководца. И, конечно, - надежности оружия, доспехов и снаряжения. Например, английские лучники, которых славословят западные историки, в сырую погоду и дождь не могли стрелять. Знаменитый Робин Гуд в дождь был безоружен. Зато сложный славянский лук был «всепогоден», а штатный пехотинец в славянском войске держал в воздухе 5-7 стрел с разным прицелом, и точность попадания была великолепна. И здесь надежность эквивалентна жизни, результатам намерений и стремлений.
Метафору «надежность» применяют и к людям: заказчику и исполнителю, компаньону, товарищу и другу, руководителю, депутату, мужу, жене и сыну. Эту же метафору применяют к организациям: НИИ и проектным институтам, заводам-заказчикам, школам и учебным институтам, министерствам, мафиям, коммерческим банкам, фракциям депутатов и партиям. У разработчиков новых производств, установок, технологий существует объективный и достаточный критерий надежности химического завода, потенциального заказчика разработок. Приехав на завод и отметив командировочные удостоверения, мы дружно шли в туалет цеха или заводоуправления. Если туалет находился в безобразном состоянии, как на вокзале в послевоенные годы, то мы уезжали, даже не заходя к заводскому начальству. На таком заводе администрация наверняка небрежна и необязательна при выполнении договорных и финансовых условий, а обслуживающий персонал дик и невежественен. Новое производство будет плохо работать, а виноватить в малой надежности будут только нас.
Наконец, слово «надежность» широко используют применительно к техническим объектам, промышленному оборудованию, технологическим системам и производствам.
Каков же смысл и содержание слова «надежность»? По-видимому, оно ассоциируется с понятием функционировать, с исполнением предназначенных действий и достижением определенных результатов. Здесь невольно привносится категория времени. Мы хотим функционирования в некотором масштабе времени. Для деталей, узлов, систем и процессов в разгонных ступенях космической ракеты этот масштаб времени – минуты. Для промышленной установки производства какого-то продукта – это время потребительной ценности для покупателя или время возврата кредита на создание промышленной установки.
Понятие «надежность» неизбежно связано с понятием устойчивости: после малых воздействий извне система сама возвращается в нормальное состояние. Если нет устойчивости, то нет и надежности. Например, рыночная экономика предельно неустойчива, а потому ненадежна для бытия страны, нации, этноса, человечества. Капитал, полученный из ресурсов планеты, страны, региона просто и примитивно проедается или превращается в сокровища, вместо того, чтобы вкладываться в будущие поколения и благоустройство природы.
В 2005 году по Москве разместили большие рекламные щиты с лозунгом «Бери от жизни все!». Какая уж тут устойчивость и, следовательно, надежность общества. Слава Богу, власти застеснялись своей явной дури, эти щиты провисели всего 1-2 недели. Но ведь кто-то с примитивной, животной психикой наверняка принял этот лозунг к руководству своих действий.
Первопричиной появления этой монографии и, вообще, занятий автора надежностью систем оказался эмоциональный стресс во время пуско-наладочных работ одной довольно сложной и капризной установки. Автор участвовал в ее разработке, проводил теплофизические и процессные расчеты, выдавал конструкторам эскизные проекты оригинального оборудования, плотно сотрудничал с этими конструкторами, с проектировщиками. И вот установка смонтирована в отдельном здании, стоит эдакая красавица, как елочная игрушка, вся блестит алюминиевой фольгой теплоизоляции, трубопроводы, вентили и задвижки покрашены в яркие цвета. Красота! И чувство гордости: это сделали мы!
Сначала приступили к «холодному» пуску. Сразу «полетел» насос подачи раствора в форсунку. Оказалось, что в емкости лежит слой грязи и огрызков электродов, которые монтажники-электросварщики разбрасывают во все стороны. Пришлось три дня убирать мусор из емкостей «под метелку». Снова запускаем питательный насос, подаем воду в форсунку гранулятора. Здесь оказалось, что из 4-х форсунок одна просто льет воду, а не распыливает. Разобрали форсунку, оказалось, что завод-изготовитель не выполнил требований рабочей документации, а конструктор, ведущий авторский надзор за изготовлением, - «прошляпил». Снова стоим, а нужную деталь форсунки пришлось изготавливать за тридевять земель. Опять неделя прошла бестолку.
Далее при монтаже, оказалось, не была сделана статическая и динамическая центровка огромного вентилятора производительностью 120000 нм3/час. При включении вентилятора все здание цеха начинало трястись, и к вентилятору было страшно подойти. Снова неделю ждем, пока найдут наладчика, и пока он отцентрует систему вентилятор-двигатель.
Арматура доставила много хлопот: то не откроешь, то не закроешь, то течет из всех щелей. Большую часть задвижек и вентилей на трубопроводах подачи раствора в реактор пришлось перебрать, подогнать поверхности, смазать, набить новые сальники.
Для отладки гидродинамики во всей установке понадобилось установить множество штуцеров в газоходах для размещения датчиков. И вот варварски сдирается теплоизоляция, газосварщик вваривает штуцера, а члены пусковой бригады устанавливают датчики и вторичную измерительную аппаратуру. А вот заранее, в проекте предусмотреть установку множества штуцеров – мозгов, точнее опыта, не хватило.
При «горячих» пусках в трубопроводе диаметром 300 мм. вдруг началась кристаллизация одного из компонент раствора. Образовывалась пробка длиной 2-3 метра. Эту часть трубопровода просто вырезали, вваривали новый кусок трубы, снова запускаем, снова – пробка. А оказалось, что сырьевой цех не контролировал концентрации компонент раствора, пришлось на ходу и «на коленках» делать систему контроля и регулирования концентраций. Опять неделя прошла.
При первом «холодном» пуске проверяли режим псевдоожижения в грануляторе установки. Обнаружили, что слой зернистого материала не «закипает». Мал расход воздуха. При этом вентилятор исправно работает, шибер полностью открыт, а расход мал. Вварили штуцер недалеко от вентилятора, измерили напор, он оказался больше номинального. Причем высоковольтный двигатель вентилятора медленно нагревается, величина тока тоже велика. Ох, сожжем двигатель! Пришлось разбалчивать воздухопровод в разных местах и по-пластунски ползать в газоходе, благо его размер 800 мм. И, конечно, в самом неудобном месте обнаружили кучу мусора, кусков бетона, досок, арматуры. Все это перемешано с драными рукавицами и армировано старой грязной сальной телогрейкой. Слышали бы монтажники, что и как о них говорили пускачи! Господин Лимонов просто бы позавидовал!
В целом пришлось менять оборудование, обвязку газоходов и трубопроводов, заменять сгоревшие двигатели на более мощные. Все время «капризничала» система КИП и А, бестолку срабатывала блокировка и ее в конце концов просто отключили. Когда приехали проектировщики, то они просто не узнали свое детище. Все не так, все изменено, оборудование работает совсем другое. Но почему-то такая ситуация считается нормальной, лишь бы установка работала.
А вот с этим «лишь бы установка работала» возникли серьезные проблемы. Установка оказалась процессно-непредсказуемой, настолько мало было научно-исследовательской информации или она была низкого качества по точности и широте охвата изменяемых параметров.
Устойчивое состояние равновесия при первых «горячих» пусках – «козел»: весь псевдоожиженный слой, в который распыливался горячий раствор, кристаллизовался, становился монолитом весом 8 т. И вот «варим» козлов, а сроки сдачи в эксплуатацию давно прошли, заводчане уже на нас махнули рукой: «Ох, уж эта наука!» Наше состояние можно охарактеризовать двумя словами: позор и горечь поражения! А сколько денег истрачено, времени, сколько организаций работало на нас – и все втуне.
А тут еще оскорбленная гордость взыграла: как же так, я такой весь из себя ученый, много всяких дипломов, весь такой научно-беленький и пушистый, а эта куча железа меня не слушается!
Из общения с коллегами других организаций и ведомств с удивлением узнаю, что ни одна промышленная установка просто и сразу не запускалась, что картина пусковых работ, описанная выше, - типична, что пусковая бригада, как правило, наощупь ищет хоть какой-нибудь устойчивый режим работы новой установки, даже если он далек от проектного, номинального. Даже тиражируемые установки требуют своей траектории пуска, своих методов и подходов, настолько они разные.
Следовательно, качество разработки и создания технологических систем определяется экспериментально, процесс пусковых работ происходит по плотницкому методу: «Подтяшем – лягеть». А вот заранее, на бумаге (а не в «железе») оценивать качество разработки промышленных систем никто не умеет. И, вообще, что такое качество разработки, это что-то гуманитарное, метафорическое или это физическая величина, характеризуемая отвлеченным числом и наименованием?
Получив доступ к министерской статистической информации, обнаруживаем, что эксплуатация новых производств характерна частыми внезапными остановками и последующими длительными простоями. Причем это происходит до того, как существенно изменились механические, прочностные свойства деталей и узлов. Практически внезапная остановка – дело рук операторов или блокировок из-за того, что какой-то показатель, параметр процесса принял недопустимое значение. Например, число оборотов газовой турбины в установке стало уменьшаться и приближаться сверху к критическому. Вот-вот турбину разнесет в клочья. Приходится совершать аварийный останов, а потом мучительно разбираться в причинах.
Таким образом, автор этой монографии попал в поток событий, явлений, информации, различений Вседержителя. И этот поток показывает, что процесс разработки и создания технологических систем архинесовершенен, уродлив, что это уродство ведет к растранжириванию всех и всяких ресурсов, особенно людского потенциала созидания. Ну, а всякое несовершенство заповедано человеку ликвидировать. Потому и пришлось заниматься надежностью систем.
Если спустя много лет попробовать осознать ключевые моменты перестройки мышления, если угодно, мировоззрения, миропонимания автора, то главным можно признать осознание системности окружающего мира. В научной литературе существует много определений понятия системы. Автор остановился на следующем: системой называется совокупность взаимодействующих частей. Здесь ключевое слово – «взаимодействующих».
Мудрые люди говорят, что существует три грамотности человечества: книжная, компьютерная и системная. Правда, самые умные предрекают необходимость четвертой – организационные технологии, но этим заниматься пока не будем. Третьей грамотностью, кажется, владели только древнеегипетские жрецы и потому могли успешно управлять своими народами тысячелетиями. А сегодня системное мышление далеко не всех освятило, глядя на цели и методы управления государствами в текущий исторический период.
Казалось бы, все просто: есть человек, затем семья, фирма, где он работает и зарабатывает на жизнь, есть совокупность фирм (что-то вроде холдинга), далее государство, нация, этнос, человечество. Чем отличаются, разнятся эти системы? Масштабом рассмотрения, видения. Иными словами, они разнятся числом элементов и характером взаимодействия этих элементов, частей. Но и этого мало: каждая система обязательно вложена в какую-то макросистему и последняя навязывает подсистеме свои воздействия, свои свойства, которых нет у подсистем.
Вторым ключевым моментом развития мышления при приближении к проблеме надежности систем является осознание того, что мерой всякой системы является ее линейный и временной натуральный масштаб. Натуральный – означает природный, естественный, характеристический. Под натуральным масштабом (линейным или временным) предлагаем понимать такую протяженность этих физических величин, на которой искомые функции, параметры, свойства системы меняются существенно. Что такое существенно? Давайте договариваться: физики считают существенным, если изменение искомой величины произошло в 2-3 раза по сравнению с начальной. Математики более суровы: для них изменение в 10 и более раз существенно, а менее – нет.
Интересно, что для математиков совершенно все равно, чему равна величина дифференциала искомой функции или аргумента. Для них это просто что-то малое. А для физика, для теплофизика, процесщика мера дифференциала имеет вполне определенное и обозримое значение.
Из определения понятия натурального масштаба получаем два следствия.
1. Изменения системы (т.е. ее параметров) на протяженностях в 10 раз меньших натурального масштаба – не существенны. Отсюда получаем меру физически малой линейной протяженности dx и времени dτ.
2. На протяженностях в 10 раз больших натурального масштаба процесс изменения системы завершится во всей своей потенциальной полноте. Система или придет в состояние равновесия, статики, или начнется новый цикл изменения.
Для увеличения интереса читателя к монографии приведем «пульсационные циклы колебательной системы «дыхания Космоса»» [1]:
1. Зодиакальный цикл перехода оси прецессии планеты Земля с одного знака на другой. Знаков Зодиака – 12. Скорость прохождения одного градуса знака – 72 года. Продолжительность цикла – 2160 лет. Продолжительность перехода границы из знака в знак – 11 лет.
2. Цикл этногенеза Л.Н. Гумилева – 1512 лет.
3. Китайский цикл долголетия власти – 336 лет (вспомните царей Романовых).
4. Круг Солнца – 28 лет (длительность жизни поколения людей).
5. Цикл солнечной активности А.Л. Чижевского – 11 лет.
6. Оборот Земли вокруг Солнца – 1 год.
Если из Космоса спуститься к системе «человек», то:
1. Кушать хочется 3 раза в день.
2. Сон – 8 часов.
3. Посещение туалета – 3-4 раза в день.
4. Длительность пребывания на работе – 8 часов.
5. Время нахождения в дороге, в общественном транспорте Москвы – 1,5 часа.
Полный кругооборот воды в системе земля – атмосфера равен 40 лет ± 10 лет. Следовательно, если сегодня человечество решительно очистит воздух и почву земли, то чистую воду будут пить только внуки и правнуки.
Натуральный масштаб скорости диффузии нефти в грунте – 5 м/год, а канцерогенных пластовых вод – 7 м/год.
Физики утверждают, что квант света, образующийся при синтезе гелия из водорода на солнце, вынужден бродить в объеме солнца примерно 20000 лет из-за притяжения огромной массы солнца. Следовательно, сегодня наша Земля освещается светом, кванты которого образовались 20000 лет назад.
Если ввести новое понятие – время между принятием решения и его реализацией, то получаем новый масштаб времени поведения человека. У детей и homo с животной психикой это минуты, в крайнем случае, час. У современных российских бизнесменов и бизнесвумен – это неделя, максимум месяц. У мудрых и ответственных перед народом управителей – это хотя бы 2-3 поколения или сотня лет.
Сейчас президента в России «избирают» на 4 года, за этот короткий срок самый мудрый правитель не может поставить и реализовать ни одной долгосрочной программы, никакой преемственности нет. Зато за эти 4 года вполне можно сделать преступления против своего народа (Афганистан, перестройка, Чечня, прихватизация, Беловежская Пуща).
Древние славяне избирали вождя, князя сроком на 12 лет. Интересно, что кандидат в князья яростно сопротивлялся своему избранию. Это ведь такая обуза и морока, такая ОТВЕТСТВЕННОСТЬ за жизнь и благополучие, за праведное развитие княжества. Выборщики подчас в ногах валялись у кандидата в князья, требуя его согласия. Некоторые так и не соглашались: народ в племени дик и невежественен; а кто будет заведовать казной и сбором налогов так, чтобы народное не прилипало к потным ручонкам; кто будет командовать ФСБ, чтобы укротить бандитов, лихоимцев; кто будет судьей; кто будет ….? Если уж кого-то выбрали и он замечательно правил (войны успешные, казна полна, бандиты повешены, воры в тюрьмах, а обыватель мирно работает и легко платит небольшие налоги), то про такого князя говорили, что он сдюжил и выбирали его снова. Может быть, отсюда появилось слово дюжина, как мера, масштаб времени и количества.
Можно говорить о натуральных масштабах процессов переноса массы, количества движения и энергии потоками в химико-технологической системе. В одной промышленной установке число натуральных масштабов времени оказалось порядка 102, а спектр их величин менялся от 103с до 10-3с. Ну, и в каких временах «думать»? Одни процессы скоротечны, другие еле «шевелятся», а члену пусковой бригады каким процессом заниматься? Ведь невозможно заниматься всеми сразу!
Третий ключевой момент развития мышления при постановке проблемы надежности систем – поиск инвариантов, неизменностей в поведении системы, хотя кажется, что переменно все и вся. Побудительной причиной этого поиска является то, что сегодня человек распознает действительность, системы, процессы посредством моделирования. Построить модель объекта означает осознать инварианты его поведения, формализовать их в некоторой сначала словесной, а потом в математической форме. Результаты обработки такой модели и дают количественную информацию о поведении объекта, о взаимосвязи его параметров. Модель может быть плохая или хорошая, может быть вообще карикатурой. Но здесь речь не о совершенстве модели, а об инвариантах.
Применительно к химико-технологическим системам (далее всюду ХТС), к промышленным установкам, технологическим линиям поиск инвариантов привел к следующему.
1. Все процессы в ХТС с точки зрения термодинамики – неравновесные, так как происходят при конечной разности термодинамических потенциалов взаимодействия технологического потока с внешней средой. Но тогда эти процессы необратимы и, согласно второму закону термодинамики, ХТС генерирует энтропию Sдисс. Напомним, что энтропия – термическая координата состояния термодинамической системы. Следовательно, при химических и фазовых превращениях, в процессах движения и тепло-массообмена в реакторах и трубопроводах обязательно увеличивается диссипативная энтропия. Последняя искажает направленность превращений: из сырья начинает производиться не только целевой продукт, но и побочный, всякий мусор. Стадия разделения становится громоздкой, а степень превращения сырья в целевой продукт - малой. Необходимо непрерывно отводить диссипативную энтропию из технологического потока и выбрасывать низко потенциальную теплоту в окружающую среду. И это расплата за скорость превращений, за конечную разность потенциалов. Итак, первый инвариант:
dSдисс > 0.
Осознание этого обстоятельства приводит к новому источнику неопределенности: открытая диссипативная система с необходимостью будет как-то самоорганизовываться, и из всех вероятных траекторий своего поведения, как утверждает современная наука, будет выбирать такую, чтобы
dSдисс/dτ = min
по множеству всех возможных траекторий. И вся беда в том, что сегодня никто не может заранее предсказать эту траекторию. Здесь прогнозу качества разработки ХТС, надежности ее наносится сильнейший удар. Может быть, поэтому при пусках сложных ХТС они ведут себя как взбесившийся мустанг.
2. Мощным источником инвариантов являются законы сохранения материи, количества движения и энергии. Формализация этих законов предоставляет тот математический аппарат, инструмент, с помощью которого можно исследовать, анализировать, прогнозировать надежность систем. Качество прогноза, опять-таки надежность его, определяются качеством физико-химико-процессно-математической модели (далее всюду просто модели), ее мерой приближения к действительности, ее адекватностью, ее степенью совершенства или карикатурности. Но здесь речь идет не об адекватности модели, а о наличии хотя бы трех инвариантов, трех законов сохранения. При этом будем помнить, что это знание совсем не достаточно для достоверного прогноза надежности систем (см. п. 1).
При поисках инвариантов нельзя не говорить о математической корректности модели. Надо озаботиться тем, чтобы решение задачи было, чтобы оно было единственным и слабо зависело от небольшого информационного шума. Только представьте себе, можно ли класть модель в основу анализа надежности ХТС, если она не имеет решений, или их много (тогда какое истинное?), или решение сильно меняется при малых изменениях параметров модели (а они всегда были и будут)?
«Товарность» монографии
Каждый имеет право написать книгу,
однако, и каждый имеет право ее не читать.
Пожалуй, всех людей (а писатели книг и монографий тоже люди) можно грубо разбить на два класса. Для первого важен сам процесс созидания, они восторгаются его течением, развитием, они упиваются мировосприятием и миропониманием, его совершенством и красотой и предельной простотой устройства. Ну, а результат, научно-инженерный товар - где? Результат представлен где-то в конце исследования, кому надо – тот возьмет его, если хватит «мозгов» понять и применить в своих прикладных задачах.
Для второго класса людей важен лишь результат: «А что Я с этого буду иметь?». И если осознает, что он будет иметь МНОГО, то только тогда появится желание купить книгу и созреет воля освоить ее материал.
Писать книги трудно. Читать книги – тоже. Здесь надо освоить терминологию, осмыслить новые определения понятий, следовать за автором в его течении мыслей, бдить за корректностью логики, осознать область применимости научных и экспериментальных результатов. Вдруг столкнуться с тем, что какой-то аппарат, инструментарий незнаком читателю и придется или верить, или самообразовываться. Узко специализированные книги читаются профессионалами легко. Если же новая информация получена на стыке нескольких наук, в системном рассмотрении проблемы, то книга читается тяжко. Надо профессионально владеть и тем, и тем, знать в деталях и то, и это. Наступает раздражение, а книгу хочется выбросить в помойку. Особенно раздражаются пожилые читатели, так как они чисто физиологически не могут напрячь свое мышление для понимания нового. Зато они оказываются «замечательными» оппонентами и критиками, а если они еще и власть имущие, то и запретителями.
Эту ситуацию замечательно описал известный физик Макс Борн: «Новые идеи побеждают не потому, что оппоненты самообучаются, а потому, что они вымирают, а молодежь спокойно осваивает эти идеи». Заметим, что вместе с оппонентами вымирает и создатель, которого потом обзовут гением и поставят какой-нибудь памятник.
Издание автором монографии [2] и попытка ее распространения показывает, что ее никто не заметил, что читателю – разработчику технологических систем она не нужна. Здесь можно указать много причин макросоциального характера: страна сидит на нефте-газовой трубе, созидание новых производств отсутствует, оборудование для заводиков малого и среднего бизнеса закупается за рубежом, научный корпус России аннигилировал, над системой образования и здравоохранения издеваются и разрушают министры-дилетанты. На одну из причин слабого (по существу никакого) распространения указанной монографии показал один читатель, который освоил азы рыночной экономики и ее либерализации. Он утверждает, что сегодня, сразу на первых страницах книги надо показать товарность содержания, показать ее потребительскую ценность для потенциального читателя. Только это заставит купить книгу, заставит проявить волю и упорство для освоения, как бы сложна она не была, для практического использования идей и методов, представленных в монографии. Читатель, живущий и действующий в направлении вектора нормы прибыли (это отношение прибыли к затратам в единицу времени), должен заранее накалиться и поднять свой потенциал для усвоения материала в книге.
Далее автор делает попытку показать товарность своего труда. В чем же, собственно, заключается «сухой остаток» монографии?
1. Предлагается метод исследования, анализа работоспособности (надежности) химико-технологических систем (ХТС), проделаны приложения метода к промышленным действующим и новым, еще не созданным, установкам. Показана универсальность метода. Представлена количественная связь себестоимости целевого продукта и работоспособности ХТС.
2. Показано, что химикам-технологам пора выйти из летаргического сна безответственности за надежность ХТС. Позиция «священных индийских коров» (надежность – дело машиностроителей) давно не корректна и не актуальна.
3. Макросистема, в которую погружена ХТС, полна хаоса, беспорядка и информационного шума. Увеличивать надежность ХТС сверх надежности макросистемы и бессмысленно, и дорого.
Оказывается, представление товарности монографии должно быть тоже системно, для потребителей разного масштаба: от государства до владельца пекарни.
Большой масштаб:
1. Инвестиционный риск вложения капитала в создание промышленного производства можно рассчитать как вероятность работоспособности объекта. В Японии не создаются производства с вероятностью работоспособности менее 0,7.
2. Предоставлять кредит на создание ХТС, ждать его возврата и процентов за него без предварительного исследования работоспособности – разорительно.
3. Покупать промышленное производство или оборудование без анализа работоспособности всей системы – это покупать кота в мешке, причем с вероятностью 1 этот кот облезлый, в лишаях и хромой.
4. Требовать от разработчика-продавца установки или оборудования: «А покажите, где и как она работает!» означает показать свою системную безграмотность. Может быть, что где-то и у кого-то установка работает прекрасно, а у такого покупателя она будет часто внезапно останавливаться и долго простаивать.
5. Продавать оборудование безотносительно того, в какой технологической системе оно будет использовано, - это обман покупателя. Он разорится и уйдет из категории покупателя.
6. Себестоимость целевого продукта производственной системы, установки, конечно, зависит от системы цен на сырье, энергию, воду, комплектующие изделия, рабочую силу. Но эта же себестоимость сильнейшим образом зависит от частоты внезапных остановок и последующих простоев. Здесь пошли затраты на ремонт и восстановление оборудования, переналадку процессов переноса, затраты на штрафы потребителям продукции за недополученную прибыль, затраты на штрафы «зеленым» за залповые выбросы экологически опасных веществ при остановке и при пуске. Подчас эта вторая категория затрат, определяемая надежностью ХТС, может превзойти первую. В монографии показан метод расчета себестоимости производимого продукта с учетом работоспособности ХТС, причем делать это можно и нужно до проектных работ.
7. Себестоимость целевого продукта сегодня перестала выполнять функции критерия экономической эффективности ХТС. Натуральный масштаб времени изменения (роста) цен на все-про-все на порядки меньше времени разработки ХТС + времени ее создания + времени возврата кредита на создание ХТС. Вчера себестоимость продукта ХТС была сравнительно малая, завтра – огромная. Производство надо срочно останавливать и демонтировать. Здесь пахнет психопаталогией!
В производстве демографически обусловленных продуктов потребления, в производствах оборонной промышленности понятие «рубль» или «доллар» надо вообще исключить из употребления и заменить «энергией» в джоулях. А количество бумажных денег «джоулей» в стране должно строго быть равно годовому производству энергии в этой стране. Тогда жизнь страны, ее национальная безопасность не будут зависеть от кривляний и гримас системы ценообразования в разухабистой рыночной экономике без узды и намордников государства. Тем более, что эти гримасы отнюдь не случайны, а управляются Западом.
Но и новый показатель энергетической эффективности ХТС можно заранее рассчитать, применяя метод анализа работоспособности ХТС.
Покажем товарность монографии для систем меньшего масштаба – разработка и создание ХТС:
1. Всякая ХТС состоит из подсистем, элементов и частей. Пусть разработчики частей ХТС (химической технологии, процессов, оборудования) предельно добросовестны, профессиональны и озабочены добротностью продукта своей работы. Но качеством, т.е. надежностью, системы не занимается никто. Части есть, целого – нет.
2. Решение задачи надежности систем пущено на самотек. Или, говоря языком достаточно общей теории управления, это решение находится в режиме самоуправления. Все отдано на откуп пусковым бригадам.
3. Самоуправление надежностью систем не справляется со своими функциями: разработчики частей систем не могут и не должны заниматься надежностью всей системы.
4. Самоуправление следует заменить структурным управлением. Последнее можно и должно вооружить методом анализа работоспособности и его инструментарием и предоставить право сертификации надежности.
Товарность монографии для систем минимального масштаба – разработчиков частей, элементов и оборудования ХТС:
1. При разработке частей ХТС специалисты обязательно акцентируют свое внимание на ограничениях, в рамках которых процессы оптимальны и осуществимы. Иными словами, разработчики указывают не только номинальное значение какого-то параметра состояния технологического потока, процесса или оборудования, но и разрешенный диапазон отклонения от номинала. Такие параметры состояния далее будем называть заданными параметрами.
По определению, ХТС – работоспособна, если все заданные параметры ее в процессе эксплуатации находятся в своих разрешенных диапазонах около номинала. Если хоть один из них вышел из разрешенного диапазона, то система приходит в состояние отказа. Самый общий и универсальный рецепт повышения надежности системы: чем меньше количество заданных параметров, чем шире разрешенный диапазон, интервал отклонения их от номинала, тем надежнее будущая ХТС.
2. Сама система знать не знает, чего хотят и о чем мечтают разработчики. Она будет честно следовать законам сохранения при всех возмущениях извне. Отклонение заданного параметра от номинала при каком-то внешнем воздействии будет таким, какое «хочет» ХТС, а не таким, о чем мечтают разработчики. Обидно, но факт!
3. Технолог и процесщик узнает из монографии, что применение положительных обратных связей в ХТС, особенно, связи «головы» с «хвостом» - губительны для надежности ХТС. А так как те же технологи и процесщики другого способа достижения экономической и экологической эффективности не ведают, то начинает действовать принцип:
работоспособность 
эффективность = const.
Иными словами, чем эффективнее «на бумаге» ХТС, тем проблематичнее ее пуск, тем меньше надежность в стадии эксплуатации.
4. Использование стандартного оборудования, конечно, уменьшает капитальные затраты на создание ХТС, но одновременно существенно уменьшает надежность системы.
5. Использование локальных систем автоматического управления процессами в ХТС уменьшает надежность системы.
6. В монографии представлена целая глава, содержащая перечень и обоснование рекомендаций, реализация которых здесь и сейчас существенно увеличивает надежность ХТС. Эти рекомендации адресованы и химикам-технологам, и специалистам по процессам и аппаратам химической технологии (процесщикам), и специалистам по оборудованию химических производств. Часть рекомендаций запретительного плана, часть – конструктивного. Сразу разочаруем читателя: бесплатной надежности не бывает. Платить придется увеличением и капитальных и текущих затрат (по сравнению с эффективными «на бумаге» и неработоспособными установками).
Может быть, читателю будет интересно узнать типичную реакцию научно-технической интеллигенции и чиновников на метод анализа работоспособности. Автору посчастливилось поработать и в технологических институтах министерства химической промышленности СССР, и в институтах отрасли химического и нефтяного машиностроения СССР. И там и там с радостью брали на работу, когда узнавали, что клиент хочет заниматься надежностью систем. В отличие от технологических институтов в машиностроительных НИИ были организованы отделы надежности, но штаты были не заполнены, желающих не было, хотя зарплата довольно хорошая.
Типичная ситуация была следующей. Автор этой монографии приходил к руководителю института и просил назначить объект для анализа работоспособности. Тот предлагал разобраться с какой-то действующей установкой, которая плохо работает и за которую сильно ругают институт (читай - руководство). Или предлагал проанализировать какое-то производство, находящееся в стадии разработки.
Далее, руководители соответствующих отделов получают указание сверху предоставлять всю необходимую информацию, и автор этой монографии исчезал из поля зрения начальства на год – полтора, все дружно забывали о нем и его тематике. И вот работа сделана, сформулированы выводы, разработан комплект рекомендаций. Автор скромно просит руководство собрать научно-технический совет или ученый совет и предлагает доложить общественности свои результаты.
Недальновидный начальник, не просмотрев отчет и выводы в нем (ему ведь некогда заниматься пустяками – какой-то там надежностью) назначает дату собрания. Каждый раз наблюдался полный аншлаг, молодые специалисты сидели на подоконниках и ступеньках. Все понимали значимость надежности и чувствовали элемент скандальности, слушали внимательно, настороженно, с тревогой.
После 40 минут доклада с выводами в зале наступало тягостное молчание. И действительно, если ты согласен с ясными и простыми предпосылками метода, то далее получались числа, с которыми не поспоришь. Создавалась ситуация, аналогичная в мультфильме «Про козленка, который умел считать до 10». Вопросы, тут же переходящие в обсуждение, задавали преимущественно чем-то раздраженные руководители подразделений и ведущие специалисты отделов. Обстановка в зале накалялась: докладчик доказывает низкое качество разработки! Один член Совета даже не выдержал и возопил: «Так что же, мы зря свою зарплату получаем?» и услышал спокойное «Да!». Только ради личной безопасности не было сделано замечание, что он должен из своего кармана оплатить затраты и потери за дурную разработку и за моральный ущерб.
А суть дела в том, что и заведующие отделами и ведущие специалисты увидели в предлагаемом методе инструмент независимого контроля и ревизии своей деятельности (а что может быть страшнее для чиновника), а конструктивность метода не осознана. Возмущение «Как же так, он меня ревизует? Да Я его ….!» заслонило все. Короче, через месяц – полтора после доклада автора монографии увольняли, как возмутителя спокойствия, безответственности и безмятежности, и все забывали о надежности своих разработок.
А теперь автор будет отпугивать покупателей и потребителей монографии: если Вы далеки от инвестирования и созидания промышленных производств, технологий и производящих систем, если у Вас булки висят на дереве, то положите монографию обратно на прилавок.
Автор четко сознает, что монография о надежности систем не будет иметь спроса, пока в макросистеме не будет развития промышленности. Но ведь, согласно А.Б. Пугачевой, жизнь кончается не завтра, а, согласно А.П. Чехову, у нас еще будет небо в алмазах.
1 Введение. Термины и определения
Нельзя внести ясность в рассуждения,
если она сначала не введена в определения.
В. Гершель.
1.1. Система- совокупность взаимодействующих частей. Здесь ключевое слово - “взаимодействие”. В определении понятия системы нет указания, КАК разбивать целое (т.е. систему) на части. Это обстоятельство отдается на усмотрение исследователя и целиком зависит от задачи исследования.
Всякая химико-технологическая система (ХТС) - установка, производство, линия, технология - погружена в некую макросистему. Под последней будем понимать социально-экономическую систему производства промежуточных и конечных продуктов потребления в сочетании с системой распределения их и способом управления во имя каких-то целей. Именно макросистема определяет цели, задачи функционирования любой конкретной ХТС: обеспечить потребителей необходимым количеством продукта определенного качества. Именно макросистема обеспечивает ХТС материальными, энергетическими, информационными и людскими ресурсами. Макросистема через финансы и систему обмена создает ценообразующий базис, в поле действия которого возникают понятия себестоимости, рентабельности работы ХТС, срок окупаемости и другие категории экономической эффективности. В рамках макросистемы проводятся научно-исследовательские и конструкторские разработки, темп генерации их результатов определяет так называемое моральное старение рассматриваемой ХТС. Очень важной характеристикой всякой новой технологии с позиции макросистемы является стоимость ХТС или, как говорят экономисты, капитальные затраты. Они определяют размер кредита, который дает инвестор, на создание “в железе” самой ХТС. Именно инвестор решает быть или не быть в натуре разработанной на бумаге промышленной установке.
Наконец, макросистема требует экологической безопасности, нормирует экологическое давление ХТС на природу региона, где будет эксплуатироваться ХТС.
Итак, макросистема, т.е. социально-экономическая организация людей, рассматривает сегодня всякую ХТС через призму, по крайней мере, четырех граней:
1. Годовая производительность и качество продукта.
2. Годовая себестоимость произведенного продукта.
3. Стоимость ХТС, т.е. капитальные затраты.
4.Экологическая безопасность ХТС.
Замечание Обращаем внимание на традиционное рассмотрение этих четырех граней: здесь по умолчанию, неявно, как само собой разумеющееся, предполагается, что ХТС не будет внезапно останавливаться, не будет внеплановых простоев со всеми их убытками и затратами.
Обозначая первые две грани, подчеркнем значимость прилагательного “годовая”. Суть дела в том, что экономистов фирмы, предприятия, владеющего какой-то ХТС, совершенно не интересует секундная или часовая производительность установки. Экономические службы фирмы осуществляют взаимодействие фирмы и ее ХТС с макросистемой и работают в масштабах времени последней: квартал, полугодие или год. Квант времени, равный одному году работы ХТС, является важнейшим в жизни фирмы и предприятия. Именно в конце года подводятся итоги, определяется фактическая прибыль (убыток) от работы ХТС, начисляются дивиденды, если есть что начислять и т.д. Но вся беда в том, что часть календарного года ХТС нормально работает, а часть - простаивает, принося одни убытки.
Всякая химико-технологическая линия является одним из элементов макросистемы, ее частью. Внешне ХТС представляет собой упорядоченный набор оборудования (реакторов, аппаратов и т.д.) соединенных газоходами и трубопроводами. Технологический поток проходит эту систему в строго определенной последовательности, совершаются преобразования этого потока и технологические переделы, а на выходе получается целевой продукт какого-то качества (концентрация полезного компонента в смеси, влажность материала и т.д.). В химической установке, как правило, протекают процессы смешения и разделения, процессы переноса количества движения (гидродинамика), теплоты и массы, совершаются химические и фазовые превращения. Эти процессы осуществляются в геометрических объемах аппаратов и реакторов, на поверхности зерен катализатора или на поверхности раздела фаз (пленки, пузыри, капли, твердые частицы).
Вариантов, способов разбиения химико-технологической установки на взаимодействующие части очень много. Но вспомним название монографии и определение понятия “работоспособности” объекта (см. чуть ниже), становится очевидным, что надо заниматься параметрами технологического потока и состоянием оборудования в установке. Под параметрами состояния потока и оборудования будем традиционно понимать, говоря языком термодинамики, потенциалы и координаты состояния технологического потока в установке, а также другие характеристики (запыленность, влажность, фракционный состав, пористость частиц катализатора, его порозность в слое и т.д.). Все это заставляет представить ХТС как совокупность следующих взаимодействующих частей:
1. собственно химическая технология, т.е. последовательность переделов потока с химическими и фазовыми превращениями;
2. процессы переноса количества движения, массы и энергии в системе;
3. аппаратурное оформление, т.е. набор оборудования, в геометрическом объеме которого протекают и химические превращения, и процессы переноса.
И если в макросистеме бушуют социально-экономические законы природы, жизни и деятельности больших сообществ людей с их мировоззрением, культурой и целеполаганием, то в ХТС императивно действуют законы сохранения массы, энергии и количества движения. И эти законы сохранения объективно существуют в любой ХТС, и именно это обстоятельство является основой метода исследования работоспособности ХТС и его универсальности. Именно здесь находится фундамент математической формализации процесса исследования работоспособности ХТС: записывай законы сохранения и получишь математический аппарат, инструмент исследования.
Подойдем к какому-то аппарату ХТС или «заберемся внутрь него»: аппарат представляет собой некоторую оболочку правильной геометрической формы со стенками какой-то толщины, сделанными из какого-то материала. Присмотревшись, можно увидеть сварные швы, соединяющие элементы оболочки, видны штуцера для входного и выходного потоков. Штуцера имеют фланцево-болтовые соединения с газоходами и трубопроводами, идущими от других аппаратов ХТС. Части аппарата находятся под воздействием силовых нагрузок, погружены в агрессивную паро-газо-жидкую среду, испытывают циклические воздействия, подвержены абразивному износу, на поверхностях внутри аппарата видна корка отложений.
Эти наблюдения показывают, что рассматриваемый аппарат снова представляется нам системой, по отношению к которой ХТС является надсистемой. Технологический поток ХТС взаимодействует с частями, деталями аппарата, и это взаимодействие носит деградационный, деструктивный характер. Причем, процесс деградации материи имеет динамический характер: части аппарата, его детали и узлы меняют свои свойства в процессе эксплуатации, и наступает такой момент времени, начиная с пусковых работ, когда некоторое изделие, деталь, узел выйдет из строя, придет в состояние отказа.
Отметим разницу в масштабах времени происходящих процессов с технологическим потоком ХТС (это примерно 10+3 сек.) и деградационных процессов материи в аппаратах, реакторах, насосах, газодувках той же ХТС (это примерно год или годы). Следовательно, масштабы времени процессов химических и фазовых превращений, процессов переноса теплоты, массы и количества движения в ХТС неизмеримо меньше масштабов времени деградации материи деталей и узлов некоторого аппарата в ХТС. В этом принципиальное отличие смысла «работоспособности» и «надежности» ХТС и обычного объекта машиностроения.
Во всех отраслевых НИИ бывшего министерства химического и нефтяного машиностроения всегда придавалось огромное значение исследованиям деградационных процессов, изменению свойств материи в процессе эксплуатации. Были специальные отделы в этих НИИ, которые только этим и занимались. Собственно, само понятие надежности и появилось в машиностроении в результате изучения поведения деталей и узлов в условиях эксплуатации, в среде технологического потока промышленной установки. Эти исследования и их результаты сформировали свою теорию, методы исследования и, главное, приемы прогнозирования. Здесь образовался свой понятийно-терминологический аппарат, свои параметры и критерии, вышло большое количество монографий, книг, непрерывно идут публикации в периодической печати, организуются конференции, защищаются диссертации.
Для нашей работы отметим, что, когда говорят о надежности, особенно машиностроители, то, как правило, имеют в виду деградационные процессы в изделии в некоторых условиях эксплуатации.
Таким образом, можно, меняя линейный и временной масштабы изучения, рассматривать все более “мелкие” подсистемы ХТС, что иллюстрирует рис. 1.1.
Рис. 1.1. Иллюстрация иерархии систем.
Четкое понимание этой иерархии систем, вложенных друг в друга, как русские матрешки, позволяет определить в дальнейшем цель нашего исследования – надежность (работоспособность) ХТС на базе идущих в ней превращений.
1.2 В России действует ГОСТ 27. 002-93 с названием “Надежность в технике. Термины и определения”. На первой странице этого нормативного документа находится определение понятия качества продукции химического машиностроения. Надо признать, что это определение имеет скорее литературный характер - разработчикам ГОСТа в этом определении хотелось, как можно больше все учесть и все упомянуть. Мы же здесь делаем основной акцент на таком свойстве качества, как надежность: без надежности от изделия уже ничего нельзя требовать.
1.3 Надежностью называется работоспособность во времени, согласно тому же ГОСТу.
1.4 Работоспособность - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической (НТД) и/или конструкторской документации (КД).
Сделаем комментарий к последнему определению. Под заданными функциями ХТС обычно понимается годовая производительность по целевому продукту и его качество. И это понимание основано на том обстоятельстве, что ХТС является частью макросистемы.
В определении работоспособности фигурирует понятие “параметр”, который должен соответствовать нормативной документации. Под словом “соответствовать” будем понимать следующее. Пусть хi - тот самый параметр, пусть хi0 - номинальное, проектное значение этого параметра в нормативной документации, пусть Dхi - разрешенный диапазон отклонения хi от номинала хi0. Тогда под соответствием этого параметра нормативной документации будем понимать действие неравенства:
Те параметры работы ХТС, на которые в нормативно-технической и/или конструкторской документации указаны ограничения на амплитуду отклонения от номинального значения, далее будем называть заданными параметрами.
Можно перефразировать гостовское определение работоспособности следующим способом: ХТС называется работоспособной, если она выполняет свои целевые функции, и все ее заданные параметры находятся в своих разрешенных диапазонах около номинального значения.
Соответственно, отказом ХТС называется отклонение хотя бы одного заданного параметра за разрешенный диапазон.
Заметим в скобках, что разрешенное отклонение от номинала справа и слева совсем не обязательно одинаково, симметрично относительно номинала. Были случаи ограничений только с одной стороны.
