Гранулирование

Пути повышения надежности линий гранулирования

Анализ составляющих критерия эффективности функциони­рования технологических линий показывает, что надежность ра­боты оборудования через себестоимость продукции и произво­дительность линии влияет на выбор режима функционирования и время ее работы. В связи с этим повышению надежности ра­боты как отдельных видов оборудования, так и их совокупности уделяют особое внимание.

Термин надежность, применительно к химико-технологичес­кой системе, характеризует ее свойство выполнять заданные функции (производство продукта определенного качества), со­храняя свои эксплуатационные показатели (производитель­ность) в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени (наработка на отказ).

Причины отказов категорируют по трем основным группам:

внешние, т. е. независимые от технической сущности систе­мы;

внутренние технологические, т. е. возникающие под воздей­ствием параметров функционирования;

внутренние механические, т. е. являющиеся следствием не­качественного изготовления или ремонта оборудования или от­работки им своего ресурса.

Внешние причины, как правило, порождают внеплановые простои, характеризующие уровень организации производства. Внутренние причины достаточно полно оцениваются коэффи­циентом технического использования и наработкой на отказ.

Отличительной особенностью оценки надежности химико­технологических систем, например в отличие от машинострое­ния или радиотехники, является невозможность получения ста­тистического материала в достоверных объемах, позволяющих в полной мере использовать математический аппарат теории ве­роятностей. Как правило, химико-технологическая система, в том числе и для получения гранулированных продуктов, в луч­шем случае имеет не более десятка аналогов (типовые схемы, оборудование), да и те частично модернизированы, находятся в различных эксплуатационных условиях, разнятся производи­тельностью, качеством сырья, квалификацией обслуживания, климатическими условиями и т. д.

Для таких систем правомернее набирать статистические дан­ные не по числу линий, а по времени их эксплуатации. При этом сопоставление различных схем и линий тем более досто­верно, чем ближе условия их эксплуатации (отрасль, завод, цех). Так, анализ работы линий производства гранулирован­ных удобрений в течение не менее одного календарного года показал [121], что, несмотря на различие технологических схем и получаемых продуктов, наиболее близкие показатели надеж­ности у производств, находящихся на одном предприятии. В то же время, одинаковые схемы на различных заводах обеспечи­вают одинаковое качество продукта при существенно различной надежности.

Анализ надежности линий получения гранулированного ам­мофоса и двойного суперфосфата показал [18], что наиболее ве­роятная длительность внеплановых простоев по внутренним при­чинам не превышает 1 ч, т. е. ремонты несложные. Наиболее часто выходят из строя аппараты для сушки пульпы и транс­портные устройства. Однако даже кратковременные остановки нежелательны, поскольку приводят к уменьшению средней про­изводительности из-за потери времени, сырья и энергии на пуск и выход на режим. Так, при увеличении числа отказов ли­нии гранулирования с аппаратом БГС на 30% средняя произ­водительность падала в 1,5 раза (рис. 10.3).

Следовательно, повышение надежности отдельных аппара­тов является необходимым, но недостаточным условием увели­чения надежности линии. Для достижения этой цели надо, как уже отмечалось, устранить внешние причины простоев, опти-

Рис. 10.3. Зависимость средней произ-
водительности линии с. БГС Q от чис-
ла остановок т

мизировать режим совокупно­го функционирования аппара­тов и их производительность, а также применять дополни­тельные средства и возможно­сти (сверх минимально необ­ходимых) для выполнения ли­нией заданных функций, т. е. использовать разные виды резер­вирования [173—175], рассмотренные ниже.

1. Структурное или схемное резервирование, предусматри­вающее использование избыточных элементов структуры объек­та. Обычно рассматривают три типа структурного резервирова­ния: нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв. Применяют и комбинированные методы структурного резервирования.

Нагруженный резерв — работа резервных элементов в том же режиме нагрузки, что н основной элемент, т. е. и основной и резервный элементы те­ряют надежность в равном темпе.

Облегченный резерв — функционирование резервных элементов в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т. е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.

Ненагруженный резерв — полное неиспользование резерва при работе основного элемента, т. е. надежность резервного элемента падает только в процессе хранения.

2. Режимное, или нагрузочное резервирование, предусмат­ривающее использование способности объекта воспринимать дополнительные нагрузки. Этот метод давно известен. На нем основаны, например, введение коэффициентов запаса прочнос­ти, снижение допустимых значений режимных параметров функционирования (температуры, давления, производительнос­ти и т. п.).

3. Временное резервирование, или временная избыточность, когда системе функционирования предоставляется некоторое избыточное время для восстановления технических характерис­тик, т. е. для профилактики и ремонта. Оно обеспечивается раз­личными средствами и условиями:

увеличение в условиях эксплуатации расчетного времени функционирования, необходимого для выполнения поставлен­ной задачи или для производства заданного количества про­дукта;

выполнение объекта (машины, аппарата) с большей произ­водительностью, чем это требуется по расчету;

промежуточное накопление продукта или изделий между отдельными элементами системы. Это создает возможности для

продолжения функционирования производственной линии, да­же если часть оборудования до накопителя остановлена;

инерционность установки, например тепловой, механической. Инерционность позволяет переключиться на резервные элемен­ты без полной остановки производства. Однако при отсутствии резервных элементов та же инерционность, напротив, уменьша­ет время функционирования, поскольку время остановки на ре­монт и продолжительность пуска увеличиваются;

4. Функциональное резервирование, предусматривающее ис­пользование способности элементов выполнять дополнительные функции.

5. Информационное резервирование, касающееся систем ин­формации, сигнализации и управления. Оно предусматривает использование избыточной информации.

6. Технологическое резервирование — изготовление изделий с повышенным классом точности в сравнении с традиционным, создающее условия для повышения надежности и долговечнос­ти, поскольку в процессе своего функционирования объект сна­чала изнашивается до традиционного класса точности, а затем идет уже обычный процесс изнашивания.

В эту же группу можно отнести меры по борьбе с техноло­гической наследственностью [171]. Это явление заключается в том, что в ходе последовательного проведения операций одна из них создает такие изменения внутренней структуры изделий, что они долгое время никак не проявляются. Однако в ходе дальнейшей обработки или эксплуатации образца наступает та­кой момент, когда начинают сказываться последствия этой тех­нологической операции.

Примером может служить производство гранулированного фосфогипса (см. гл. 8). Фосфогипс, обладая тиксотропными свойствами, имеет тенденцию к длительному изменению струк­туры при введении механической энергии. Технологическая схе­ма его переработки, построенная без учета этого явления, не позволяет вести интенсивную переработку материала на заклю­чительных стадиях. Повышение надежности работы такой ли­нии в результате сокращения времени на чистку оборудования возможно, если до стадии дробления и грохочения перемещения фосфогипса были минимальными.

7. Энергетическое резервирование, касающееся вопросов обеспечения резервом энергоснабжения (электрического, тепло­вого). Здесь могут быть использованы кольцевая система снаб­жения, организация нескольких различных вводов или несколь­ких источников энергии.

8. Управленческое резервирование, часто используемое в хи­мической промышленности, где несмотря на наличие системы автоматического управления, имеется система ручного управ­ления и т. д.

9. Резервирование устройств техники безопасности, которое также широко применяется в химических производствах.

Рассмотрим более подробно структурное резервирование. Обычно этот метод применяют для компенсации внеплановых простоев отдельных видов оборудования. Однако в производст­ве удобрений, например, большая часть простоев возникает из - за случайного отказа почти всех сравнительно надежных эле­ментов системы, что делает нецелесообразным поэлементное резервирование. В то же время, надежность отдельных узлов линии существенно различна, поэтому предусмотрены разные частота и продолжительность плановых простоев, необходимых для капитальных и текущих ремонтов. Их проведение ввиду по­следовательного включения элементов приводит к остановке всей системы. В связи с этим возникает резерв рабочего време­ни быстроремонтируемых элементов. Для его реализации сле­дует иметь резервный элемент, аналогичный находящемуся в ремонте.

В производстве гранулированных минеральных удобрений основная ветвь системы состоит из трех последовательно вклю­ченных блоков: химического превращения и первичного удале­ния влаги (I), сушки и гранулирования (II), классификации и дробления (III). По существующим нормам относительная про­должительность их ремонтов следующая (k„ — коэффициент ремонта, показывающий, какая доля календарного времени за­трачивается на плановый ремонт):

Блок I II III

Продолжительность плановых ремонтов 0,5 £п kn 0,1 kn

Таким образом, при наличии резервного блока II продол­жительность плановых простоев системы сокращается вдвое. Естественно, что при этом растут капитальные вложения, и це­лесообразность такого резервирования следует проверять по максимуму целевой функции (10.3).

Максимальный эффект от резервирования одним блоком при неодновременном ремонте одной из параллельно работающих систем и их числе

п=[ 1/А„(1—ftp)]—1, (10.10)

где kp — отношение времени максимального ремонта нерезервируемого обо­рудования к времени ремонта резервируемого оборудования.

Предпочтительнее резервирование блока, полупродукт из которого выходит в виде жидкости, поскольку монтаж и экс­плуатация коллекторов и трубопроводов небольшого диаметра не представляет трудностей. Положительно зарекомендовал се­бя опыт объединения таких блоков при наличии в производст­ве нескольких однотипных технологических линий.

Наиболее простой путь уменьшения внеплановых простоев — установка между блоками системы накопителей полупродукта емкостью, достаточной для обеспечения работы в течение 2— 3 ч, т. е. на время проведения основной массы внеплановых ре­монтов (временное резервирование). Это повышает надежность системы в целом (максимально — до уровня наиболее нена­дежного блока).

Компенсация внеплановых простоев установкой ненагружен - ного резерва наиболее часто ремонтируемых аппаратов неже­лательна по двум причинам: во-первых, таких аппаратов до­статочно много, во-вторых, основные из них работают на теп­ловых источниках энергии, запускать которые дольше, чем длится аварийный ремонт. Поэтому резервирование следует осу­ществлять постоянно работающими блоками. Правда, это свя­зано с дополнительными затратами, а при отсутствии аварий и с понижением фактической производительности блока без из­менения его надежности.

Отметим также, что использование облегченного резерва до­пустимо для аппаратов, изменение производительности кото­рых хотя и понижает эффективность, но не ухудшает условия ведения процесса (например, транспортные средства). Сни­жение нагрузки (режимное резервирование) таких аппаратов как грануляторы, смесители, реакторы и т. п. нежелательно, поскольку при этом затруднено поддержание заданного режима их работы. Таким образом, резервирование для уменьшения внеплановых простоев — не лучший путь повышения надежно­сти, но он целесообразен в случае, если нет других способов и шунтируемая аппаратура обеспечивает уменьшение плановых простоев.

Для примера рассмотрим систему получения гранулированного аммофоса по схеме с аппаратом БГС. Надежность ее блоков характеризуется частным коэффициентом технического использования k'T, равным отношению времени работы к сумме времени работы и внеплановых простоев. При производи­тельности 17 т/ч k'r блоков: I — 0,88; II — 0,96; III — 0,98.

Для повышения общей надежности системы следует повысить надеж­ность блока первичного удаления влаги путем установки нагруженного ре­зерва. Задаваясь величиной к'тц по формуле, заимствованной из работы [176] и преобразованной для наших условий, рассчитаем необходимое число выпарных установок:

rtr=entier{lg[l —ft'nil/lgll —*'т,]}+1, (10.11)

где entier — целая часть числа; индексы II и I относятся к заданному и ре­альному k'T.

Прн k'Tu—Q')6, яг=2, т. е. для обеспечения одинаковой надежности всех частей технологической линии следует на каждый узел сушки и гранулирова­ния иметь две выпарные установки. С учетом плановых ремонтов коэффи­циент технического использования системы возрастает с 0,77 до 0,84, а уве­личение от этого прибыли превышает увеличение себестоимости продукции в 10 раз, т. е. такое резервирование эффективно.

Если один резервный аппарат включен совместно с парал­лельно работающими в цехе аппаратами, то общая надежность этой системы однотипного оборудования может быть рассмотре­на из условия работы п из п-f-І аппаратов [171], т. е. в нашем случае по уравнению

*т2=(п + 1)й"т, С-kTj) + k»+, (Ю. І2)

где индексы 1 и 2 относятся к аппарату и системе.

Рис. 10.4. Зависимость коэффи­циента технического использо­вания группы параллельно ра­ботающих в цехе аппаратов kT 2 от их числа пГ при различных числе резервных аппаратов п и коэффициенте технического ис­пользования каждого аппара - та kTl

0,5

При двух резервных аппаратах уравнение (10.12) имеет вид: Ат,«[(я + 1) (я+2)/2]61(1-*Т1)*+ (п + 2) kn+1Tl (1 — kTj) + A"+2Tl.

(10.13)

Очевидно, что уравнение (10.13) дает идентичные уравнению

(10.12) результаты при равном соотношении действующих и ре­зервных аппаратов. По этим уравнениям при различных значе­ниях kTl для одного аппарата построены зависимости &та для группы аппаратов от их числа при параллельной работе (рис. 10.4). Для заданного числа линий по графику определяют на­дежность данной группы аппаратов и далее по уравнению (10.3) — целесообразность установки резерва.

Как отмечалось выше, установка облегченного резерва оправданна только в случае сохранения оптимальных условий ведения процесса при изменении производительности и в лю­бом случае ведет к понижению эффективности данного блока. Более подробно экономическая оценка уровня надежности хи­мико-технологической системы при резервировании отдельных видов оборудования, временном снижении выработки продук­ции рассмотрена в работе [177]. Пользуясь описанными при­емами повышения надежности линий и оценивая при этом эф­фективность ее функционирования, находят лучшие варианты их структуры и режимов работы.

Глава 11