CC BY
54
УДК 621.512
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ЗАВОДА НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРИЧИН АВАРИЙНЫХ ОТКАЗОВ
И.Р. БАЙКОВ, д.т.н., проф., завкафедрой промышленной теплоэнергетики ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: Pte@rusoil.net Р.А. ШАЙБАКОВ, к.т.н., генеральный директор
АО «Салаватский химический завод» (453256, Республика Башкортостан, г. Салават, ул. Молодогвардейцев, д. 30).
М.В. ЕЛИСЕЕВ, главный инженер проектов АНО «Центр энергосбережения РБ» (Россия, 450064, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Северодвинская, д. 12). E-mail: Cerb@mail.ru С.В. КИТАЕВ, д.т.н., проф. кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: Svkitaev@mail.ru М.Г. ПЕТРОВ, генеральный директор
Муниципальное унитарное предприятие «Уфимские инженерные сети» (Россия, 450065, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Донского, д. 9). E-mail: Maxim.petrov2012@hotmail.com
Н.Р. РАЗЯПОВ, начальник контрольно-аналитического отдела по ЯНАО Северо-Уральское управление Ростехнадзора (Россия, 629810, ЯНАО, г. Ноябрьск, ул. Изыскателей, д. 28в).
Нефтехимические заводы производят широко востребованную продукцию, без которой невозможно экономическое развитие страны в современных условиях. Для обеспечения технологических процессов на установках применяются циркуляционные насосы, на которые воздействуют химически активные и высокотемпературные потоки. В работе на основе эмпирических данных наработки на отказ циркуляционных насосов установлен вид зависимостей вероятности безотказной работы для основных типов отказов и вида перекачиваемого технологического потока, намечены направления повышения надежности эксплуатируемого фонда насосного оборудования.
Ключевые слова: нефтехимический завод, циркуляционный насос, надежность, наработка на отказ, плотность распределения, вероятность безотказной работы.
Важнейшим элементом технологической схемы любого нефтехимического производства являются циркуляционные насосы, осуществляющие перемещение технологических сред, обеспечивая непрерывность процесса. Особенностью нефтехимических процессов является необходимость поддержания высоких температур сырья и промежуточных продуктов для протекания химических реакций.
В связи с этим вопросы повышения надежности насосных агрегатов нефтехимических заводов являются актуальными. Вопросы анализа надежности оборудования нефтехимического завода рассматривались ранее в работах [1, 2].
Для оценки уровня надежности и разработки направлений повышения работоспособности оборудования использовалась эмпирическая информация по наработке на отказ и причинам отказов циркуляционных насосов в АО «Салаватский химический завод» за десятилетний период. Анализировались данные по насосам, работающим при температуре перекачиваемых сред свыше 115 °С.
Характер функции плотности распределения отказов позволяет предположить, что функция распределения вероятности отказа подчиняется закону Вейбулла,
согласно которому плотность распределения вероятности отказа описывается функцией [3]:
f(t) =Х0 -a-ta-1exp(-X0 • t
(1)
при этом вероятность безотказной работы за время ! определяется по формуле
P(t) = exp(-X0 • ta
(2)
где Х0 и а - параметры распределения.
Параметр распределения Х0 определяет масштаб, при его изменении кривая распределения сжимается или растягивается. Параметр а может принимать значения 1 < а < 1. В рассматриваемом случае а < 1, поскольку представленная функция монотонно возрастающая.
На основании информации по отказам насосного оборудования вероятность безотказной работы определяется по формуле
мТ (3)
P(t)=■
где N,(1) - число единиц оборудования, сохранивших работоспособность в течение промежутка времени
50
ТРАНСПОРТ M ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ M УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
N - первоначальное число единиц оборудования по типу или по перекачиваемому продукту.
Таким образом, вероятность безотказной работы определяется отношением числа оставшихся в эксплуатации единиц оборудования к их общему числу в момент начала эксплуатации всей группы оборудования.
В реальных условиях вышедшее из строя оборудование заменяется или ремонтируется, и таким образом, общее количество единиц оборудования остается постоянным, что не принципиально для предлагаемой методики.
Для определения коэффициентов Х0 и а на основании соотношения (2) по экспериментальным данным определялись эмпирические значения функции надежности Р*(0, а затем минимизировалась сумма квадратов разностей:
S =
=£ (() - pa, ))2 t=0
• min,
(4)
I
4 5 6
Наработка на отказ, тыс. ч
Рис. 2. Распределение вероятности безотказной работы Pit] при «заклинивании ротора» насосов (N=56, Х0= 0,0781, a=1,7483)
♦ факт, — Вейбулла
Рис. 3. Распределение вероятности безотказной работы РШ по всем отказам насосов, перекачивающих сульфат натрия (N=38, Х0 = 0,00216, а = 3,3753)
факт. Вейбулла
где P*(t) - эмпирическое значение функции надежности в момент времени t; P(t) - расчетное значение функции надежности в тот же момент времени.
Минимизация функционала (4) производилась при помощи стандартной функции «Поиск решения» электронной таблицы Excel.
Фактическое и теоретическое (Вейбулла) распределение вероятности безотказной работы P(t) насосов, рассчитанное по приведенной выше методике, приведено на рис. 1-6.
4 5 6
Наработка на отказ, тыс. ч Рис. 4. Распределение вероятности безотказной работы РШ при заклинивании ротора насосов, перекачивающих сульфат натрия (N=29, Х0= 0,00181, а=3,5331))
факт,
- Вейбулла
Рис. 1. Распределение вероятности безотказной работы РШ по всем отказам насосов N =85, ^ = 0,0837, а =1,7657)
факт,
- Вейбулла
I
4 5 6
Наработка на отказ, тыс. ч
Рис. 5. Распределение вероятности безотказной работы Р(Ш) по всем отказам насосов, перекачивающих щелочь (N=41, Х0= 0,0493, а=3,1033)
факт,
- Вейбулла
4 5 6
Наработка на отказ, тыс. ч.
Рис. 6. Распределение вероятности безотказной работы Р(Ш) по всем отказам при заклинивании ротора насосов, перекачивающих щелочь (N=24, 0,0616, а=2,9359)
♦ факт, — Вейбулла
4 5 6
Наработка на отказ, тыс, ч
4 5 6
Наработка на отказ, тыс, ч
Таблица 1
Основные сведения по отказам насосов
Тип насоса Марка насоса Наименование рабочего потока Число отказов Наработка на отказ, ч Средняя наработка на отказ по типу рабочего потока, ч
Насос герметичный 3ЦГ-50/50К-15 Сульфат натрия 12 5697 5498
Насос герметичный БЭН-396 Сульфат натрия 7 6329
Насос центробежный ГХО 25/50 Сульфат натрия 4 4599
Насос центробежный 18ПРЦ-80-ВН-СД Сульфат натрия 12 5367
Насос герметичный ГХО 50/50 Щелочь 26 2346 2324
Насос центробежный ХЕ 80-50-250 Щелочь 10 2469
Насос центробежный АХ 50/50 Щелочь 10 2159
Как следует из полученных результатов, при помощи показательной двухпараметрической функции Вейбулла можно достаточно точно описать эмпирические данные. Наибольшее расхождение эмпирической и теоретической функций распределения времени наработки на отказ наблюдается в конечной стадии эксплуатации оборудования, когда особенно высока вероятность внезапных отказов насосов.
Средняя наработка на отказ для насосов различных производителей и применяемых для перекачки различных потоков приведена в табл. 1.
В качестве критерия точности функций использовалась величина среднеквадратической относительной погрешности:
£ (Р(Ь) - РЦ ))2
--100%. (5)
п 2
£ р * а,)
1=0
Анализ полученных результатов показывает, что точность предложенной функции распределения вероятности безотказной работы (Вейбулла) составляет не менее 19%.
Надежность и эксплуатационная безопасность функционирования оборудования завода зависит не только от свойств материалов, конструктивного совершенства механизмов, качества сборки (внутренние факторы, связанные с надежностью), но и от условий эксплуатации. Под условиями эксплуатации понимаются внешние факторы, не связанные с конструктивными особенностями устройства. Такими факторами являются, например, свойства рабочего потока, качество и эффективность управления электродвигателями, наличие устройства плавного пуска электродвигателей.
Влияние свойств перекачиваемой среды оказывается существенным (см. табл. 1). Наработка насосов, применяемых для перекачки щелочи более чем в два раза, меньше по сравнению с насосами, перекачивающими сульфат натрия.
Многие из внешних факторов изменяются с течением времени, и поэтому важно не только располагать текущими значениями фактора, но иметь сведения о его динамике.
Выводы
На основе системного анализа установлено, что надежность и эксплуатационная безопасность функционирования оборудования химического завода зависят не только от свойств материалов, качества сборки (внутренние факторы), но - существенно - от условий эксплуатации (внешние факторы) не связанные с конструктивными особенностями устройства (химическая активность и температура перекачиваемой среды).
Показано, что наработка на отказ насосов, применяемых для перекачки щелочи более чем в два раза, меньше по сравнению с насосами, применяемыми для перекачки сульфата натрия.
Установлено, что характер эмпирической функции вероятности безотказной работы «горячих» насосов (температура потока свыше 115 °С) подчиняется закону Вейбулла. Получены временные зависимости вероятности безотказной работы для основных типов отказов и перекачиваемого продукта. Анализ полученных результатов показывает, что среднеквадратическая относительная погрешность расчетов по предложенной функции распределения вероятности безотказной работы (Вейбулла) не превышает 20%.
52
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байков И.Р., Китаев С.В., Файрушин Ш.З. Оценка показателей надежности насосов типа НК, НКВ и НПС // Надежность. № 4. 2016. С. 3-8.
2. Файрушин Ш.З., Байков И.Р., Китаев С.В. Определение показателей надежности поршневых компрессоров // Нефтегазовое дело. № 2. 2016. С. 120-124.
3. Вадзинский Р.Н. Справочник по вероятностным распределениям. СПб.: Наука. 2001. 295 с.
SECURITY OPERATION OF PETROCHEMICAL PLANT PUMPING EQUIPMENT BASED ON SYSTEM ANALYSIS OF CRASH CAUSES
BAIKOV I.R., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Industrial Heat Power Engineering Ufa State Petroleum Technological University (USPTU)
(1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Baschkortostan, Russia). E-mail: Pte@rusoil.net SHAIBAKOV R.A., Cand. Sci. (Tech.), Director
JSC «Salavat Chemical Plant» (30, The young St., Ufa, Republic of Baschkortostan, Russia). ELISEEV M.V., Chief Project Engineer
ANO «Center of Energy Saving RB» (12, Severodvinskaya St., 450064, Ufa Republic of Baschkortostan, Russia). E-mail: Cerb@mail.ru
KITAEV S.V., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Baschkortostan, Russia). E-mail: Svkitaev@mail.ru PETROV M.G., General Director
Municipal Unitary Enterprise «Ufa Engineering Networks» (9, Don St., Russia, 450065, Ufa, Republic of Bashkortostan,
Russia). E-mail: maxim.petrov2012@hotmail.com
RAZYAPOV N.R., Head of Control and Analytical Department
«North Ural Department of Rostekhnadzor» (28B, Prospectors St., Noyabrsk, Russia).
ABSTRACT
Petrochemical plants produce widely demanded products, which is the country economic development in modern conditions. To ensure the technological processes in the units circulators are used, which are affected by chemical and high-temperature flows. On the basis of empirical data MTBF circulation pumps a kind of the dependency of the probability of failure-free operation is installed for common types of failures and technological properties of the pumped flow, the areas of reliability improvement of the operated fund of pumping equipment are identified.
Keywords: petrochemical plant, pump, reliability, time to failure, distribution density, the probability of failure. REFERENCES
1. Bajkov I.R., Kitaev S.V., Fajrushin SH.Z. Ocenka pokazatelej nadezhnosti nasosov tipa NK, NKV i NPS. Nadezhnost. 2016, no. 4, pp. 3-8 (in Russian)
2. Fajrushin SH.Z., Bajkov I.R., Kitaev S.V. Opredelenie pokazatelej nadyozhnosti porshnevyh kompressorov. Neftegazovoe delo. 2016. no. 2, pp. 120-124 (in Russian)
3. Vadzinskij R.N. Spravochnikpo veroyatnostnym raspredeleniyam [The reference probability distributions]. -SPb.: Science. 2001. 295 p.
