Change of running efficiency of chemical equipment during operation

Abstract

Regularities of changes in the efficiency of chemical equipment at various stages of its life cycle are considered.

Full Text

Введение Современное химическое производство имеет длительный жизненный цикл, обладает большой мощностью и интенсивными режимами эксплуатации. В основу такого производства положены химико-технологические системы (ХТС), которым присущи сложные технологические процессы с высокой производительностью оборудования, длинными технологическими цепочками и сложными устройствами контроля и управления. Развитие таких производств связано с необходимостью улучшения множества взаимосвязанных, показателей: производительности, надежности, безопасности, экологичности, эффективности и т.п. Одним их основных показателей работы оборудования является комплексный показатель, который учитывает производительность оборудования, качество производимой продукции и показывает, с какими затратами достигается результат [1]. Традиционно повышению эффективности работы оборудования уделяют особое внимание на стадии проектирования. Но при этом зачастую не учитывают, что на протяжении всего времени эксплуатации оборудование, его техническое характеристики, изменяются по целому ряду причин. Это вызвано тем, что оборудование химических производств подвергается самым разнообразным и трудно учитываемым повреждающим воздействиям, вызванным сложными и тяжелыми условиями работы, высокими и низкими температурами, вакуумом и давлением, нестабильностью протекания технологических процессов, токсичными, пожаро- и взрывоопасными средами, высокой степенью агрессивности рабочей и окружающей среды. Основная часть Оборудование химических производств имеет ряд особенностей, которые во многом определяют специфику изменения его технического состояния [2]. Рисунок 1. Причины и последствия изменения технического состояния химического оборудования Известно [2], что технологическое оборудование химических производств служит для переработки рабочих сред, которые могут быть энергонасыщенными, токсичными, находиться в различных агрегатных состояниях и могут изменять их, являясь коррозионно-активными. Свойства рабочих сред во многом определяют воздействия на оборудование. Условия и режимы работы оборудования приводят к возникновению целого ряда деградационных процессов: коррозии, износу узлов трения, появлению отложений, накипи, закоксовыванию, изменению механических, структурных и теплофизических свойств конструкционных материалов и т.п. При определенных условиях деградационные процессы приводят к необратимым изменениям оборудования. Весь комплекс воздействий ведет к изменению технического состояния оборудования, что выражается в изменении геометрических размеров деталей, шероховатости поверхности, появлении и развитии микро- и макродефектов, старении материалов - и в итоге приводит к снижению надежности оборудования и его эффективности (см. рисунок 1). Вышеперечисленное дает основание считать необходимым не только выполнение классических проектных расчетов, включающих выбор конструкционных материалов, учет штатных нагрузок, разработку мероприятий по обеспечению прочности, герметичности, надежности, но учет аварийных нагрузок, возможности возникновения и развития различных сценариев аварийных ситуаций, изменения свойств конструкционных материалов под действием температур, давлений и пр. Изменение технического состояния оборудования в процессе эксплуатации является неизбежным негативным явлением, ведущим к снижению надежности и эффективности и требует обязательного учета при проектировании. Для этого предлагается рассматривать оборудование в контексте его жизненного цикла- совокупности процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта [2]. Жизненный цикл включает период от возникновения потребности в создании объекта до его ликвидации. Основные стадии [2]: проектирование, производство, эксплуатация, утилизация. В качестве конкретного примера, иллюстрирующего методический подход к оценке эффективности технического объекта, предлагается рассмотреть наиболее общий элемент конструкции химической аппаратуры - цилиндрическую обечайку корпусов аппаратов, магистральных и технологических трубопроводов, емкостей для жидких и газообразных сред, трубчатки в теплообменных аппаратах. Основные процессы, протекающие в рассматриваемом элементе следующие: - движение потоков «жидкость - жидкость», «жидкость - газ» с заданными температурами и давлениями; - непосредственное взаимодействие потоков или контактирование с промежуточной стенкой; - охлаждение или нагрев рабочих или вспомогательных сред путем протекания теплопередачи; - организация движения потоков рабочих и вспомогательных сред путем создания давления определенной величины, необходимой для преодоления гидравлического сопротивления элементов. В общем виде критерии функционирования обечайки представлены в виде условий ограничений по размерам, температурам, давлениям: , , . Приведенные условия учитывают напряженно-деформированное состояние обечайки исходя из условия прочности (толщина стенки не должна быть меньше допустимой), из условия обеспечения процессов теплопередачи (температура не должна превышать предельную) и условия обеспечения течения потоков (гидравлическое сопротивление не должно превышать предельное). Одной из наиболее распространенных причин изменений параметров функционирования обечайки в процессе эксплуатации является постепенное накопление различного типа повреждений и возникновение дефектов [3, 4]. Одним из наиболее распространенных типов повреждений является коррозионно-эрозионный износ, воздействие которого учитывается при выборе номинальной толщины стенки. При этом начальная толщина стенки уменьшается, приближаясь к минимально допустимой. Другой тип повреждения связан с ухудшением механических характеристик материала и, как следствие, снижением допускаемых напряжений. Оба типа повреждения приводят к постепенному уменьшению допустимого внутреннего давления в обечайке. Допустимое давление не должно опускаться ниже рабочего. Рисунок 2. Фрагмент обечайки, подверженный деградационным процессам: 1 - зоны протекания коррозионных процессов; 2 - зона протекания эрозионных процессов; 3 - зона образования отложений При детальном рассмотрении условие эксплуатации выводится из условия прочности, учитывающее толщину стенки [5]: , где SMIN - минимальная толщина стенки, м; SОТБ - отбраковочная толщина стенки, м. Определяющим при оценке остаточного ресурса из условия прочности является расчет обечайки под внутренним давлением. Эксплуатация обечайки считается возможной, если фактическая толщина стенки всех элементов превышает отбраковочную. При определении отбраковочной толщины стенки оценивается несущая способность элементов в целом, в отличие от проверочного расчета, когда определяется напряжение в наиболее опасной зоне. при ; при , где SОТБ - толщина стенки обечайки, при которой запрещается эксплуатация, м; Р - рабочее давление в обечайке, МПа; DH - наружный диаметр элемента обечайки, м; n - коэффициент перегрузки рабочего давления в обечайке; - нормативное сопротивление, равное наименьшему значению временного сопротивления разрыву материала обечайки, принимаемое по ГОСТ или ТУ; МПа; - нормативное сопротивление, равное наименьшему значению предела текучести при растяжении, сжатии и изгибе материала стенок, принимаемое по ГОСТ или ТУ, МПа; - коэффициент несущей способности, для труб, конических переходов, выпуклых заглушек эллиптической формы; для отводов гладких и сварных; для отводов трубы радиусом R к наружному диаметру D. Все расчеты ведутся с учетом случайного характера многих величин, и, следовательно имеют вероятностный характер. Расчет остаточного ресурса обечайки по минимальной толщине стенок труб. Среднеквадратическое отклонение замеряемой толщины: , где N - число участков замера (если N<10, то σ не вычисляют, т.к. точность ее оценки при этом недостаточна); SК - значение замеренной толщины; SСР - среднее значение замеренной толщины. Минимальную толщину стенки с учетом неконтролируемых участков поверхности определяют для доверительной вероятности 95% применительно ко всем промышленным химическим объектам: . При необходимости более точной оценки остаточной толщины стенки на каком-либо участке число измерений N увеличивают, имея в виду, что уменьшение ошибки контроля пропорционально . Средняя скорость коррозии стенки элемента обечайки определяется по формуле: , где - время эксплуатации, лет. Остаточный ресурс объекта определяется по формуле [6, 8]: . Следует отметить, что определение остаточного ресурса по коррозионно-эрозионному износу толщин стенок элементов химического оборудования является главным, но не единственным критерием оценки работоспособности. Рассмотрим критерии, благодаря которым возможно оценить или прогнозировать ресурс работы оборудования химико-технологических комплексов. В теплообменном оборудовании (кожухотрубчатые теплообменники) существенным фактором, влияющим на условия эксплуатации, является термическое сопротивление стенок. Термическое сопротивление слоев коррозионных процессов и отложений сложно измерить. Учесть данный фактор возможно только косвенно. Одним из параметров, которые возможно измерить, является температура. Температура рабочей среды является технологическим параметром, который измеряется во многих химических процессах на входе и выходе из оборудования. Тогда эксплуатация химического оборудования из температурного условия: - для теплообменного оборудования. Допускаемые [ΔtCP] должны иметь верхнюю и нижнюю границу для различных условий работы, исходя из заданных параметров технологического процесса. Средняя разность температур определяется следующим образом [9, 10]: , где ΔtБΔtМ - большая и меньшая разности температур на концах оборудования. Значение величина ΔtСР имеет границы, при которых эксплуатация химического оборудования возможна. Для разных видов оборудования, рабочих сред, условий эксплуатации, длительности использования оборудования, технологических условий протекания процессов доверительный интервал будет иметь различную величину. В главном уравнении теплопередачи [9, 10]: , где Q -тепловой поток (расход передаваемой теплоты), Вт; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); ΔtCP - средняя разность температур горячего и холодного теплоносителей, К. Коэффициент теплопередачи определяется следующим образом, исходя из образованных отложений: . Тепловая проводимость отложений на стенках зависит от рода теплоносителя, его температуры и скорости, а также от материала стенки, температуры нагревающей среды. Точные данные, касающиеся толщин отложений, можно получить только диагностическим путем, измерением приборами неразрушающего контроля. Проведение измерений термических сопротивлений отложений возможно только экспериментальным путем. При уменьшении коэффициента теплопередачи средняя разность температур будет увеличиваться. Преобразовав главное уравнение теплопередачи, получим: . Данные формулы можно применить для тех случаев, когда значения коэффициента теплопередачи для теплоносителей можно считать постоянными. Для общего случая определение поверхности теплопередачи выполняют по дифференциальному уравнению методом интегрирования. Скорость изменения рабочей средней температуры горячего и холодного теплоносителей определяется по формуле: , где - время эксплуатации, лет. Это условие справедливо, если не принимать во внимание фазы работы, когда температура может значительно отличаться от рабочей, а именно в процессе ввода и вывода оборудования из эксплуатации. Остаточный ресурс объекта определяется по формуле: . Также одним из критериев работоспособности химического оборудования может являться изменение его условие гидравлического течения потоков. Эксплуатация элементов химического оборудования из условия гидравлического течения потоков: . В основе оценки остаточного ресурса из условия обеспечения гидравлического течения потоков является определение изменений гидравлического сопротивления обечаек. Гидравлическое сопротивление является технологическим параметром, который измеряется во многих химических процессах на входе и выходе из оборудования. В общем случае ΔРСР вычисляется по формуле: , где ΔРСК - потери давления на создание скорости потока на выходе из системы; ΔРТР - потери давления на преодоление сопротивления трения, ΔРМ.С. - потеридавления на преодоление местных сопротивлений; ΔРПОД - потери давления на подъем жидкости. ΔРДОП - разность давления в пространстве нагнетания и в пространстве всасывания. Вышеуказанные величины имеют постоянную величину, кроме ΔРТР, которая изменяет свое значение после образования и накопления отложений. Формула определения мощности подающего насосного оборудования ΔРТР входит как составляющая ΔРСР [10]: . где V - объемный расход жидкости, м3/с; ΔРСР - повышение давления, которое сообщается насосом перекачиваемому рабочему потоку. ΔРСР равно полному гидравлическому сопротивлению системы трубопроводов и химического оборудования , где f - площадь поперечного сечения потока, м2; - скорость истечения жидкости, м/с. Выразив из формулы определения мощности гидравлическое сопротивление системы, получим: . Для получения ресурса работы по критерию образования отложений и увеличения сопротивления системы во времени можно предложить следующую зависимость: . Как правило, деградационные процессы протекают по нелинейной модели [11] , где а - параметр, определяющийся из условий работы; M - определяется из экспериментальных исследований. В дальнейшем будем полагать, что параметр а имеет нормальное распределение. При M=1 деградационный процесс происходит с постоянной скоростью а, при M>1 ускоряется при эксплуатации, при М<1 - замедляется. В этом случае общее условие работоспособности элементов химического оборудования будет иметь вид: Таким образом, приведенная методика позволяет оценивать эффективность обечаек как одного из наиболее распространенных элементов химической аппаратуры по трем критериям функционирования - в виде условий ограничений по размерам (толщине стенки), температурам, давлениям. При этом учитывается изменение технического состояния по причине коррозионно-эрозионного износа и применяется допущение, что деградационныепроцессыпротекают по нелинейной модели. Выводы 1. Эффективность и надежность технологического оборудования химических производств зависит от его технического состояния, которое в процессе неизбежно изменяется. 2. Эффективность и надежность технологического оборудования химических производств необходимо рассматривать в контексте его жизненного цикла. 3. При прогнозировании эффективности работы технологического оборудования необходимо на протяжении его жизненного цикла учитывать не только его структуру, но и комплекс протекающих производственных процессов (технологических, деградационных, ремонтно-восстановительных), рабочие среды, влияние человека, что возможно на основе системного подхода. 4. Так как свойства всех составляющих системы оборудования, процессов, рабочих сред являются вероятностными величинами, то необходима разработка соответствующих вероятностных моделей. 5. Предложенная методика позволяет определить остаточный ресурс на основе критериев работоспособности. Для обечаек, в которых протекают такие деградационные процессы, как коррозия, образование отложений, теплопередача через многослойную стенку, предложено использовать три критерия работоспособности. Эта методика позволяет установить влияние технологических и деградационых процессов на ресурс оборудования.