Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшегопрофессионального образования
Ивановский государственный химико-технологический университет
НАДЕЖНОСТЬ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ
Иваново 2007
Стр.1
УДК 338.45.66
Афанасьева Т.А. Надежность химико-технологических производств /
Афанасьева Т.А., Блиничев В.Н.;
Иван. гос. хим.-технол. ун-т: монография – Иваново, 2007. – 199с.
Рассмотрены основные проблемы надежности химико-технологических
производств. Значительное внимание уделено представлению надежности
производства, как комплексной системы, состоящей из трех базовых блоков:
надежность
технологического
химико-технологических
оборудования
процессов
(ХТО),
(ХТП),
управления
химикопроизводством
(организация,
планирование, учет, контроль). Приведены методы расчета,
прогнозирования, диагностики, идентификации надежности производства и его
составляющих. Даны сведения по ГОСТам надежности в технике. Разработана
классификация показателей надежности технологических процессов.
Предложена методика повышения надежности конструкций ХТО,
математические модели ХТП и ХТО.
Монография предназначается для специалистов в области химических
производств, производства строительных материалов, пищевых продуктов,
текстильной и других отраслях промышленности, а также для студентов
химико-технологических вузов.
Рецензенты:
кафедра «Расчет и конструирование химических машин и аппаратов»
МГУ ИЭ (МИХМ).
А.Н. Чохонелидзе, профессор, заведующий кафедрой МАХП Тверского
Государственного Технического университета.
ISBN 5-9616-0214-1
© Ивановский государственный
химико-технологический
университет, 2007
.
2
Стр.2
Введение
В этой книге будет рассмотрена одна из актуальных проблем техники,
технических систем – надежность. Проблемой надежности систем, отдельных
ее элементов занимаются многие специалисты, ученые нашей и других стран.
Ей посвящено много книг, статей, разработаны государственные стандарты. В
то же время вопросам надежности химико-технологических производств,
уделено не столь значительное внимание, а проблемы надежности химикотехнологических
процессов, зависящие от многих факторов, освещаются
довольно редко [17, 19, 101, 103].
Цель книги – осветить круг проблем и вопросов современной теории
надежности химико-технологических производств, показать общие подходы и
методы решения задач, стоящих перед промышленными производствами, для
повышения стабильности и эффективности их работы.
Любое химико-технологическое производство представляет собой
сложную, иерархическую систему, которую с точки зрения его надежности
удобно рассматривать как систему протекающих последовательных и
последовательно-параллельных процессов, начиная от процессов дозирования
исходных компонентов и заканчивая процессами затаривания готового
продукта в упаковки и отгрузки его потребителю (рис.1).
Надежность химико-технологического производства зависит от
надежности протекания вышеперечисленных процессов. Надежность
реализации любого процесса зависит в свою очередь от надежности работы
оборудования, в котором он осуществляется, а также от надежности управления
данным процессом. Надежность работы каждой единицы оборудования, в свою
очередь, зависит от надежности его эксплуатации, от качества или надежности
его изготовления на машиностроительных заводах, а также от качества или
надежности проектирования техники для реализации конкретного процесса (см.
блок I, рис.1).
Из рис.1 наглядно видно, что надежность химико-технологического
производства любого продукта зависит от надежности осуществления
основных его технологических процессов.
Надежность реализации процессов, кроме надежности работы
оборудования, в котором они протекают, очень сильно зависит от надежности
управления ими, от поддержания в оптимальных режимах определяющих
параметров процессов, особенно в тех случаях, когда диапазон устойчивого
осуществления процесса достаточно узок и не может быть реализован
методами ручного регулирования.
В этой связи мы видим, что надежность основных химикотехнологических
процессов является основой надежности химикотехнологического
производства:
J
.
пр ва− = 1J J J J ,
2
3
n
3
(1)
Стр.3
где Jпр-ва – надежность производства; J1 – надежность химикотехнологического
процесса, J2 – надежность химико-технологического
оборудования, J3 – надежность управления.
В данной монографии делается упор на рассмотрение надежности
химико-технологических процессов, как основы надежности химикотехнологического
производства.
На основе социально-экономического развития России предстоит выйти
на новые рубежи, что означает подъем народного хозяйства на принципиально
новый научно-технический и организационно-экономический уровень, перевод
его на рельсы интенсивного развития. Для ускоренного развития страны нужны
сдвиги в технологическом содержании научно-технического прогресса. Одним
из важнейших вопросов этой проблемы является обеспечение и управление
качеством и надежностью промышленных производств. Понятие «обеспечение
и управление надежностью» формулируется как целенаправленное воздействие
на процессы формирования надежности, на отдельные его этапы, контроль и
регулирование хода данного процесса. При этом образуют единую систему
обеспечения и управления начальным качеством и надежностью как свойством
сохранять начальные показатели во времени.
В России действует государственная комплексная система управления
качеством продукции (КС УКП), основной целью которой является
обеспечение постоянных, высоких темпов эффективного улучшения качества
всех видов выпускаемой продукции. В настоящее время отдельной системы по
управлению надежностью нет и, поэтому имеется экономическая
целесообразность создания комплексной системы управления и обеспечения
надежности промышленного производства (КС УОНП). Такая система
надежности, как системный подход, необходима для обеспечения надежности:
технологии и оборудования на стадии проектирования;
оборудования (или субъекта) в процессе изготовления;
на стадии монтажа;
на стадии эксплуатации, которая состоит из двух основных элементов
(технологической надежности, устойчивости процессов и надежности
оборудования в процессе эксплуатации).
КС УОНП должна быть подсистемой не только КС УКП, но и АСУП,
поскольку речь идет не только о продукции, выпускаемой предприятием, но
также и о надежности работы самого производства. КС УОНП должна
представлять собой совокупность надежного функционирования всех
производственных и служебных подразделений предприятия, а также
разработку мероприятий, методов и средств, направленных на обеспечение
необходимого уровня надежности технологического процесса и оборудования
при их разработке, освоении (ХТП), изготовлении (ХТО) и эксплуатации.
.
4
Стр.4
…
i
…
Надежность управления
5
n
…
Надежность оборудования
…
j'
n’
…
Надежность процессов
…
j'
4
3
3’
…
2
2’
Надежность химико1
1’
n+1
Продукт
в
упаковке
Рис. 1. Иерархия построения химико-технологического производства
n+1
1’
1
1
технологических производств
n
n
n
2’
2
2
…
…
3’
3
3
4
…
i
n'
Надежность оборудования
5
…
j
Надежность процессов
5
…
j
.
5
яинваодору об ьстонадежН
яниаводору об ьстонадеж Н
яинелвар уп ьстонадежН
5
Стр.5
Книга состоит из пяти глав и трех приложений. В I главе излагаются
основные положения системного подхода к проблеме надежности химикотехнологических
производств, разработки комплексной системы управления и
обеспечения надежности производства. Во II главе приводятся, во-первых,
основы управления надежности производства, во-вторых, показаны основные
принципы разработки математических моделей надежности оборудования и
различных видов химико-технологических процессов.
III и IV главы книги раскрывают вопросы обеспечения надежности
химико-технологических процессов и оборудования. В V главе освещается
сущность комплексной системы управления и обеспечения надежности
производства, вопросы прогнозирования и диагностики надежности химикотехнологических
производств.
Авторы надеются, что эта книга внесет свой вклад в попытку осветить и
в какой-то степени решить некоторые из проблем надежности химикотехнологических
производств.
.
6
Стр.6
Глава I
Системный подход к проблеме надежности
химико-технологического производства
1.1. Основы надежности химико-технологического производства
1.1.1. Организация производства и его надежность
Новая экономическая стратегия ускорения развития страны обусловлена
переходом к рыночным отношениям, особенности которого состоят в
усложнении процесса совершенствования техники и технологии, в
комплексном характере изменения взаимоотношений техники и людей, в
реорганизации системы управления. Интенсивный тип экономики связан не
только с всемерным развитием средств труда, но и с улучшением
использования действующих основных фондов. Таким образом, экономический
рост страны обеспечивается двумя группами факторов: 1-я группа – повышение
качества продукции, надежности, технологического уровня производства,
доведение его до уровня лучших мировых аналогов;
2-я группа – совершенствование организации труда и производства,
повышение степени использования имеющегося оборудования, рост культуры и
порядка, улучшение организации системы управления.
Для функционирования организации производства следует обеспечить
соблюдение следующих принципов: целевая специализация, наличие
программы (плана) функционирования, обеспечение целостности системы.
Надежность объекта может быть обеспечена также путем
резервирования. Виды резервирования рассматриваются, например, в
справочнике [1] под редакцией И.А.Ушакова, способы резервирования
рекомендуются
в
соответствующих
тем или иным объектам
специализированных источниках. Довольно основательно излагается точка
зрения на этот вопрос Зубовой А.Ф. [2, 3], где указывается, что вопросы
резервирования следует решать не только при эксплуатации техники, но и при
ее создании и конструировании. Резерв – это не только понятие «запас» чеголибо,
но и средство повышения и обеспечения надежности, эффективный
результат действия которого должен предусматриваться изначально в процессе
прогнозирования и планирования химико-технологической системы (ХТС).
При решении задач резервирования необходимо более экономично, с
наименьшими затратами обеспечить заданные показатели надежности. Обычно
в задачах оптимального резервирования предполагается, что стоимость резерва
в целом определяется: C x1( ,..., xm) = ∑c xi
i=1
m
ci xi =)(
i
i ( ) , где x x... m - составляющие (элементы,
i
участки) химико-технологической системы в количестве от i до m. Стоимость
резервного элемента
c x i [72]. Оптимальное резервирование определяет
задачи и организацию системы обеспечения технических объектов запасными
.
7
Стр.7
элементами, а также является составной частью ремонтных служб предприятий.
А.Ф.Зубова
[2]
определяется
проводит
технико-экономическое
обоснование
целесообразности резервирования для повышения и обеспечения надежности
машин и аппаратов химических производств.
Надежность химико-технологического производства в первую очередь
прогрессивной технологией
(рис.2). С утверждения
технологического процесса начинается работа по организации любого
промышленного производства (создание рабочих мест, подбор оборудования,
его разработка, конструирование, набор кадров и т.д.)
Изначально, именно надежность технологического процесса создает
всей
надежность
производственной
Основные
процессы
Механические
Теплообменные
системы.
технологических процессов (рис.2) отражает не только многообразие
Структура химикоГидромеханические
Массообменные
Тепломассообменные
Осложненные
побочными
процессами
Периодические
Непрерывные
Не
осложненные
побочными
процессами
Интенсивные
Рис.2. Структура химико-технологических производственных процессов
.
8
Стр.8
Jоб1
Jоб2
Jоб3
Jоб4
Jоб5
Управление
ХТО
Jпр1
Jпр2
Jпр3
Jпр4
Jпр5
Управление
ХТП
Надежность химикотехнологического
производства
Организация
и
управление
производством
Рис.3. Принципиальная схема влияния надежности химико-технологических процессов на надежность
химико-технологического производства:
Jобi – надежность химико-технологического оборудования (ХТОi);
Jпрi – надежность химико-технологического процесса (ХТПi)
.
9
9
Стр.9
выполняемых на химпроизводствах процессов, но и всю значительную
сложность этих процессов, их взаимосвязь и взаимовлияние.
Ученые, производственники, специалисты разделяют все основные
процессы, применяемые в большинстве химических производств [5-7], на
механические,
гидромеханические,
тепловые,
массообменные
и
тепломассообенные. Такая классификация производится в зависимости от
закономерностей, характеризующих протекание этих процессов, т.е. процессы
подчиняются законам гидромеханики, тепло- и массо-передачи, химической
кинетики, а также механики твердых тел (измельчение, смешение,
классификация-разделение). Каждый химико-технологический процесс (ХТП)
зависит от значительного количества факторов и причин, влияющих на ход
данного процесса, оказывающих совместное, даже часто противоречивое
действие. При исследовании и обеспечении надежности ХТП необходимо
учитывать то, что они могут быть периодическими и непрерывными, при
ведении одного (основного) процесса могут возникать, параллельно и
одновременно протекать побочные (неосновные) процессы. Все это отражается
на эффективности, устойчивости и надежности химико-технологического
процесса, а, следовательно, на надежности химико-технологического
производства.
Все отказы в работе ХТП можно классифицировать по причинам их
возникновения: А – отказы, происходящие вследствие организационных
причин на производстве; Б – отказы, возникающие из-за отклонения
параметров процесса и технических характеристик оборудования от
оптимальных; В – отказы, возникающие вследствие протекания нежелательных
побочных процессов.
Надежность технологического процесса – это свойство обеспечивать
изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени
установленные требования к ее качеству и постоянными (оптимальными)
параметры этого процесса. Понятие надежности технологического процесса
отличается от понятия его точности и стабильности. Согласно ГОСТ 15895 –
77, под точностью понимается свойство технологического процесса
обеспечивать соответствующие поля рассеивания значений показателя качества
изготовления продукции заданному полю допуска и его расположению;
стабильность – свойство технологического процесса сохранять показатели
качества изготовляемой продукции в заданных пределах в течение некоторого
времени. Из двух этих определений следует, что эти два показателя
характеризуют технологический процесс в некоторый фиксированный момент
времени. Надежность же понятие динамическое, поэтому точность и
стабильность следует рассматривать как составные части свойства надежности
системы.
Под надежностью технологического процесса понимается устойчивый в
допустимом интервале изменяемых основных показателей качества ход
процесса в течение заданного времени с обеспечением основных его
10
Стр.10