Совершенствование технической эксплуатации теплообменных аппаратов судовой дизельной установки с их переводом на обслуживание по фактическому состоянию

Актуальность проблемы исследования. Переход на новые формы хозяйствования в области ТЭ водного транспорта, основанный на законах рыночной экономики, существенным образом изменяет ее методологию. В условиях рыночных отношений происходит жесткая конкуренция на фрахтовом рынке и, в связи с этим, обостряется проблема повышения рентабельности работы СТС, при этом первоначальное значение приобретают вопросы дальнейшего совершенствования ТЭ их энергетических установок и в частности, ФН. По данным Лондонского Классификационного обществаРегистра судоходства Ллойда в мировом торговом флоте ежегодно гибнут от 200 до 300 СТС, одной из основных причин которых являются отказы технических средств, нередко обусловленные человеческим фактором. Анализ аварийных ситуаций судовой ДЭУ свидетельствует о том, что при существующем на настоящий момент количестве возникающих отказов нередко риск ТЭ находится в области, превышающей допустимый уровень, что не соответствует требованиям обеспечения безопасности плавания СТС.

Одним из возможных путей решения возникающих проблем в процессе их ТЭ является переход от существующей затратной системы централизованного планирования проведения профилактических ремонтно — восстановительных работ на перспективную, с точки зрения снижения эксплуатационных расходов систему ТО и ремонта по фактическому ТС. Это (но данным ЦНИИМФ) позволяет получить экономию материальных средств до 30%. В этом случае важным направлением научно — исследовательских работ является развитие методов и средств безразборного ТД объектов и прогнозирование их ТС во времени.

В настоящее время, благодаря термодинамической эффективности, хорошей приспособляемости к автоматизации и относительной простоте ТЭ, на СТС наибольшее распространение получили ДЭУ. Расходы материальных средств, связанные с ее ТЭ в общих по СТС в зависимости от их функционального назначения, составляют от 60 до 70%, а с контролем и ремонтом соответственно до 80%.

Основным элементом ДЭУ, в значительной степени определяющим энергетическую безопасность СТС, экологическую безопасность окружающей воздушной среды и водного пространства, является ГД и обслуживающие его системы, при этом существенное значение имеет их уровень ФН. Опыт ТЭ показывает, что более 80% аварийных ситуаций на море обусловлены субъективными причинами, связанными с человеческим фактором, а одной из основных является отказ в работе ГД и оборудования обслуживающих его систем. Соотношение отказов в количественном соотношении примерно одинаковое.

Рост энерговооруженности СТС, широкое использование комплексной автоматизации, специализация в перевозке грузов и появления в связи с этим новых типов СТС, а также возрастающие требования к повышению экономичности перевозок на водном транспорте, особенно в период перехода к рыночным отношениям, приводят к дальнейшему усложнению ВО и выдвигают вопросы его надежности на первый план. В связи с этим проблема обеспечения надежности является одной из центральных на всех стадиях «жизненного» цикла (проектирование, технологическое изготовление, ТЭ).

Для энергетического комплекса ДЭУ (ГД — обслуживающие системы), представляющего собой сложную многоуровневую систему, состоящую из большого количества элементов, выполняющих различные функции и объединенные одним функциональным назначением (топливная, масляная, конденсатно — питательная, системы утилизации высокопотенциального и низкопотенциального тепла, вспомогательные котельные и опреснительные установки) не удается произвести его полное описание. Решение задачи в такой постановке может быть осуществлено с использованием теории иерархических многоуровневых систем (иерархического подхода). При этом система задается в виде семейства моделей, каждая из которых отражает функционирование ее с точки зрения различных уровней абстрагирования (модели стратифицированной системы). Выбор модели (страты) осуществляется исходя из обеспечения максимальной независимости с учетом принципов, характерных особенностей и законов. Такой подход позволяет изучать ее сравнительно обособленно.

Применительно к обслуживающим ГД системам страты могут быть классифицированы как по «вертикали» (установка — агрегат — механизм — узел — деталь), так и по «горизонтали» (в зависимости от ответственности выполняемых элементами функций). Во втором случае принимаются во внимание три категории: обеспечивающие безопасность плавания и сохранность человеческой жизнивыполнение системой основных функций в составе ДЭУ и СТС в целомвыполнение вспомогательных функций.

Для учета физико — химических процессов (классифицируемых по типу материала, места протекания, эксплуатационного состояния, вида энергии, характеру), происходящих в элементах ОС может быть использована «материальная» стратифицированная модель. В этом случае результаты их действия (износы, коррозия, деформация и т. п.), обусловленные внешними и внутренними факторами, являются «входом» для оценивания уровня ФН и, в соответствии, с этим назначения запасов прочности, а также определения потребности в работах поддерживающего и восстановительного характера. Необходимость разработки таких моделей связана с тенденцией углубленного изучения физики отказов. Они, в сочетании с логическими, математическими и другими видами моделей, дают возможность решать задачи обеспечения надежности ОС в процессе его ТЭ.

Для оценивания показателей ФН могут быть использованы два способа, а именно, по результатам специальных испытаний и при работе в реальных условиях. С точки зрения затратной технологии второй способ более предпочтителен, так как для получения отказной информации нет необходимости имитировать реальные эксплуатационные условия.

Важность проблемы обеспечения безопасности ТЭ обслуживаемых объектов в сегодняшних условиях обусловлена тем, что ОС нередко эксплуатируется на сверхнормативной стадии и в значительной степени морально и физически изношено. В этом случае особое значение приобретает ТД, являющаяся основным элементом экспертизы состояния ФН. Эффективность использования ТД зависит от уровня подготовки обслуживающего персонала, в обязанности которого входит не только умение определять зоны контроля с точки зрения потенциально опасных узлов и деталей, но и выбирать методы, средства и объем работ, но ТД.

Неотъемлемым элементом практически всех систем ДЭУ являются ТА. Они выполняют специфические функции, во многом определяют эксплуатационные качества ГД и эффективность работы ДЭУ в целом. Их уровень ФН оказывает существенное влияние на тепловую напряженность ГД, его работоспособность и, в конечном итоге, безопасность плавания СТС. Кроме того, использование ТА в системах утилизации высокопотенциального и низкопотенциального тепла ДЭУ позволяет существенно снизить затраты на топливо путем обеспечения водо — паро и электроснабжения судовых нужд.

Практическая реализация системы ТО и ремонта ТА по фактическому ТС может быть осуществлена только при наличии фактологической информации по их ФН. Концептуальной основой оценивания ФН являются результаты, полученные в процессе проведения экспертно — статистических исследований, натурных испытаний, нормативная база ДП и их контроль, а также прогностические модели безотказной работы. Решению этих вопросов применительно к конкретным ТА в составе комплекса (ГД — ТА) ДЭУ и посвящается диссертационная работа.

Объект исследования — ТА систем ДЭУ.

Предмет исследования — совершенствование ТЭ ТА систем судовой.

ДЭУ.

Исходя из предмета исследования, проблема которого заключается в оценке ФН конкретных ТА, анализе влияния их ТС на эффективность ТЭ ГД и конструктивном совершенствовании ТУК, определена тема диссертационной работы. Решение этой проблемы составляет цель исследования.

В соответствии с объектом, предметом и целью исследования поставлены следующие задачи:

— анализ существующих проблем, связанных с обеспечением ФН ТА и повышением эффективности комплекса (ГД-ТЛ) судовой ДЭУ;

— разработка методики проведения испытаний ТА, обработки данных и оценке ФН;

— сбор, систематизация и обобщение отказной информации ТА систем, обслуживающих ГД;

— проведение экспертно — статистических исследований ФН и натурных испытаний комплекса ГД — ТА;

— алгоритмическое обеспечение и оценка ТС ТА при работе во взаимосвязи с ГД;

— исследование эффективности использования ТА в системе циркуляционной и питательной воды ТУК;

— разработка нормативной базы ДП и прогностических моделей безотказной работы;

— создание банка данных по ФН для перевода ТА на систему ТО и ремонта по фактическому состоянию;

— разработка методического обеспечения по диагностическому контролю и учету ТС ТА при эксплуатации.

Методы исследования основываются на: экспертной оценке ФН ТА с использованием данных в виде аргументированных мнений специалистов эксплуатационного профиля различного квалификационного уровня, с ее формализацией, обработкой и анализомстатистической обработке фактологического эксплуатационного материала путем составления выборки и статистичского ряда, определения закона распределения случайной величины наработки до отказа.

В теоретическом плане исследование опирается на использование: общего закона надежности технического изделиясистемного анализаматематического моделированияметодов планирования эксперимента и математической логикирегрессионных функций.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1.Предложена концепция оценки ФН ТА индивидуально и при работе во взаимосвязи с ГД на основе комплекса показателей, моделей и нормативной базы с получением параметров моделей методами идентификации и построении моделей группового прогнозирования ТС.

2.Структурирован и обоснован информационно — статистический банк данных для обеспечения ФН ТА систем ГД в процессе их ТЭ.

3.Разработаны и апробированы математические модели ФН, позволяющие в процессе ТЭ производить прогнозирование вероятности безотказной работы ТА.

4.0существлено алгоритмическое обеспечение для оценки технического состояния ТА при работе во взаимосвязи с ГД на основе использования принципа математического «моделирования.

5.Создана нормативная база ДП, разработано методическое обеспечение по их контролю и учету при ТЭ.

6.Предложена усовершенствованная конструкция ТУК, позволившая в процессе ТЭ ДЭУ существенно увеличить паропроизводительность УК и утилизационную мощность УТГ.

Теоретическое значение результатов заключается в получении критериев ФН и математических моделей, позволяющих производить оценивание ТС ТА при работе в составе комплекса (ГД — ТА) на различных режимах и прогнозировать вероятность их безотказной работы.

Практическая значимость работы заключается в создании: механизма обеспечения ФН ТА систем, обслуживающих ГД, и систем утилизации тепла вторичных энергоресурсов, позволяющего перевести их на ТО и ремонт по фактическому состоянию и, таким образом, повысить эффективность ТЭ комплекса (ГД — ТА) — информационно — статистического банка данных, включающего комплекс показателей ФН, нормативную базу ДП и математических моделей прогнозирования вероятности безотказной работы, позволяющего специалистам проектных организаций и эксплуатационного профиля на различных этапах «» жизненного" цикла решать задачи, связанные с формированием технической политики, разработкой средств повышения эффективности ТЭ, назначением уровня ФН, обоснованием МЭИ и установлением периодичности контролявнедрении результатов выполненных исследований в эксплуатационную практику на судах ОАО «Новороссийское морское пароходство» и учебный процесс Новороссийской государственной морской академии.

Достоверность научных результатов обеспечивается: использованием комплекса методов исследования, включающего экспертные оценки, математическое моделирование, планирование эксперимента, математической логики, системный анализ взаимодействия ГД и обслуживающих его систем, натурные испытания комплекса (ГД — ТА) в реальных эксплуатационных условиях, обработку статистической информации и оценку погрешностейрепрезентативностью опытных данных и их сходимостью при реализации математических моделей в допустимых для практики пределах (10. 12%).

На защиту выносится комплекс показателей ФН, математических моделей прогнозирования безотказной работы, нормативная база ДП, результаты оценки технического состояния ТА при работе их во взаимосвязи с ГД, испытаний и обобщения ТЭ модернизированного ТУК судовой ДЭУ.

Апробации и внедрение результатов исследования: содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт — Петербургском государственном университете водных коммуникаций и Новороссийской государственной морской академииосновные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов в материалах Международных научно.

— технических конференций и сборниках научных трудов: «Безопасность водного транспорта» (СанктПетербург, 2003 г.) — «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза — 2003 г.) — «XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий, Уральское отделение РАН (Миасс -2003 г.) — Сборник научных трудов НГМА. Выпуск 7 (Новороссийск — 2002 г.). Основная часть материалов опубликована в виде статей в ведущих рецензируемых и рекомендованных ВАК РФ научных изданиях (Изв.ВУЗ, ов «Машиностроение» — Изв. ВУЗ, ов Сев. — Кавк. регион.техн. науки «Проблемы водного транспорта» — Транспортное дело России «Проблемы водного транспорта Российской Федерации»).

Структура диссертации. Диссертационная работа включает: оглавление, перечень сокращений, введение, пять глав, заключение, списки использованных источников и опубликованных научных трудов автора, приложение с актами внедрения результатов в эксплуатационную практику судоходных компаний и учебный процесс морских ВУЗов.

5.4. Выводы по главе.

1. Энергетическая безопасность судовых транспортных средств с ДЭУ и экологическая безопасность окружающей среды при их эксплуатации в значительной степени зависят от уровня работоспособности комплекса ГДобслуживающие системы (топливная, масляная, охлаждения, утилизации высокопотенциального и низкопотеициального тепла).

2. Одним из основных элементов обслуживающих систем, с точки зрения обеспечения высоких надежностных мощностных и экономических показателей ГД, является теплообменное оборудование.

3. Обеспечение функциональной надежности теплообмеиного оборудования при эксплуатации может быть достигнуто путем его перевода на систему технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию. НеобходимьIM условием осуществления такого перевода являются создание нормативной базы диагностических показателей и их контроль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе выполненных экспертно — статистических исследований ФН и натурных испытаний ТА топливных, масляных, конденсатно — питательных, воздушных и систем охлаждения ГД судовой ДЭУ, а также систем утилизации высоко — и низкопотепциального тепла сделаны выводы и получены следующие научные и практические результаты:

1.Обеспечение ФН комплекса (ГД — обслуживающие системы — ТУК) в процессе ТЭ судовой ДЭУ является определяющим фактором повышения ее эффективности с экономической точки зрения, энергетической и экологической безопасности СТС в целом.

2.0птимизация режима работы ГД с точки зрения минимизации энергетических потерь, повышения его эксплуатационных качеств определяется уровнем ФН одного из основных элементов обслуживающих систем и ТУК — ТА (охладители, подогреватели, УК, УТГ, УВОУ) и в значительной степени зависят от их фактического ТС.

3.В основу концепции оценивания ФН ТА положен разработанный комплекс показателей, моделей и нормативной базы с использованием метода ранговой корреляции, системного подхода, методов математического моделирования, планирования эксперимента и математической логики.

4.Наиболее рациональный путь обеспечения ФН ТА в процессе их ТЭ с точки зрения затратной технологии материальных средств на ТО и ремонт — это переход от существующей системы централизованного планирования ремонтно — восстановительных работ на ТО и ремонт по фактическому ТС и разработке механизма такого перехода, основывающегося на:

— анализе фактологических данных по отказам, систематизации и обобщения информации по их причинам;

— установлении узлов и деталей с наименьшим уровнем работоспособности;

— нормативной базе ДП и их контроле;

— прогнозировании безотказной работы.

5.Для заключительного этапа «жизненного» цикла определены функциональные зависимости и установлены закономерности изменения показателей ФИ в виде параметра потока отказов и вероятности безотказной работы от наработки в пределах МЭП. Протяженность по наработке для зоны приработки по отношению к основному периоду ТЭ составляет в пределах 10 -15%, а по интенсивности отказов превосходит в 1,5 — 2,0 раза.

6.Классифицированы причины отказов по физическому происхождению и определено их количественное соотношение. Отказы, связанные с коррозионными и эрозионными явлениями, превосходят таковые, возникающие вследствие механических повреждений, в 3,5 раза.

7.Предложено алгоритмическое обеспечение для оценивания технического состояния ТЛ при работе их во взаимосвязи с ГД. В основу алгоритма построения, в отличие от существующих подходов, положен принцип. математического моделирования.

8.Разработаны и апробированы математические модели ФН на основе вероятностного подхода, позволяющие в процессе ТЭ производить прогнозирование вероятности безотказной работы. Полученная при их практической реализации информация может быть использована при решении эксплуатационных задач, связанных с разработкой стратегии ТО и ремонта, а также расходованием потенциального ресурса.

9.В целях повышения эффективности использования топливноэнергетических ресурсов судовой ДЭУ предложена и испытана в реальных эксплуатационных условиях модернизированная конструкция теплоутилизационного комплекса путем ввода подогревателя в систему циркуляционной и питательной воды УК, позволившая, но сравнению со штатной системой, увеличить температурный перепад УК, его паропроизводительность и утилизационную мощность УТГ в четыре раза.

Ю.Создана нормативная база ДП, дифференцированная в соответствии с категориями ТС, разработано методическое обеспечение по их контролю и учету в процессе ТЭ.

11.Результаты выполненных исследований могут быть положены в основу выработки стратегии ТЭ комплекса (ГД — ТА) судовой ДЭУ, разработки мероприятий по дальнейшему повышению ФН, конструктивному и совершенствованию технологических процессов изготовления узлов и их элементов, а также использованы в учебном процессе при разработке программ энергетических специальностей в ВУЗ, ах водного транспорта и повышении квалификации среднего и высшего звена специалистов морского, речного и рыбопромыслового флота.