На правах рукописи

ПАНИНА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА

МЕТОД ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ РОБАСТНОЙ ОЦЕНКИ

НАДЕЖНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

(НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА КАРБАМИДА)

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(химическая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный

университет инженерной экологии (МГУИЭ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шубин В.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ким В.С.-Х.

кандидат технических наук Филимонов М.А.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество Новомосковская акционерная компания Азот

Защита состоится 16 апреля 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии, 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии

Автореферат разослан 16 марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Теоретические и прикладные методы исследований эксплуатационной надежности объектов химической промышленности динамично развиваются в РФ с начала 70-х годов прошлого века и в настоящее время находят широкое применение при решении различного рода практических задач.

Досконально проработанный в сотнях отечественных публикаций, по существу классический, параметрический подход к анализу надежности химического оборудования оперирует строгими (лтонкими) стохастическими моделями, принадлежащими некоторым семействам распределений вероятностей (нормальному, экспоненциальному, Вейбулла и др.). Однако, большинство из связанных с ними статистиченских процедур весьма чувствительно к даже довольно малым отклонениям от некоторых начальных предположений (например, о независимости переменных, асимптотике дисперсии и т.д.).

В основу современного непараметрического подхода положены методы, обладающие, по сравнению с традиционными, гораздо более широкими границами применимости, но уступающие им в точности оценок и выводов, а также информативности, поскольку их использование свободно от каких-либо предположений относительно распределения случайных характеристик надежности машин и агрегатов.

Впервые развиваемый в настоящей диссертационной работе параметрический робастный подход, базирующийся на монографиях П.Хьюбера (Professor of Statistics Harvard University, USA) и Ф.Хампеля (ETH, Zrich, Switzerland), соединяет в себе достоинства обоих вышеуказанных. В нем, с одной стороны, в качестве средства представления стохастических наблюдений (наработка до отказа или на отказ, время восстановления и др.) служат обладающие полезной информацией полноразмерные (в высокой степени реалистичные) параметрические модели, с другой стороны, применяются вычислительные процедуры, зависимость которых от малых отклонений от допущений, предопределенных этими моделями, минимальна, а от больших - не фатальна.

Информационной базой исследований послужили сведения об эксплуатации производства карбамида, получаемого взаимодействием газообразной двуокиси углерода и жидкого аммиака при давлении 14 - 15,5 МПа и температуре 165Ц189 0С, мощностью 1400 т/сутки в открытом акционерном обществе Новомосковская акционерная компания Азот (ОАО НАК Азот), проект которого выполнен фирмой Снампрожетти (Италия).

_______________________________________

* Автор выражает глубокую признательность к.т.н. Рюмину Ю.А. за помощь и консультации при подготовке диссертационной работы.

Цель работы. Разработать систему взаимосвязанных прикладных методов расчета и прогнозирования показателей надежности производства карбамида, базирующихся на параметрическом робастном математическом аппарате.

Научная новизна:

1. Впервые доказана эффективность практического применения при анализе эксплуатационной надежности объектов химической промышленности параметрических робастных статистических процедур.

2. Разработаны отличные от существующих методики робастной оценки надежности крупнотоннажного агрегата синтеза карбамида и его структурных элементов.

3. Приведена иерархическая стохастическая робастная модель полной или частичной потери работоспособности объекта исследований, учитывающая значимость и вариацию совокупности условий и факторов, способствующих прекращению или снижению эффективности процесса производства карбамида.

4. Предложена стохастическая робастная модель вариации потока отказов оборудования объекта исследований, базирующаяся на минимаксном подходе Хьюбера и функциях влияния Хампеля.

Практическая ценность.

1. Предлагаемые методы анализа обладают достаточной общностью и могут быть применены для оценки и прогнозирования работоспособности объектов химической промышленности.

2. Разработано программное обеспечение классификации отказов, параметрического робастного оценивания надежности машин и агрегатов.

Автор защищает:

1. Методические основы комплексного анализа эксплуатационной надежности производства карбамида, базирующиеся на параметрических робастных статистических процедурах.

2. Стохастические робастные модели потери работоспособности объекта исследований и вариации потока отказов его структурных элементов.

3. Подходы к расчету отдельных характеристик надежности агрегатов химической промышленности, базирующиеся на отличных от существующих математических методах и алгоритмах решения.

4. Количественные робастные оценки показателей надежности категорий оборудования объекта исследований.

Апробация работы и научные публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XVIII Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях в Казанском государственном технологическом университете в 2005 г. и международной научно-практической конференции Экологические проблемы индустриальных мегаполисов в г.Донецке в 2006 г.; Содержание работы представлено в 5 публикациях.

Объем работы. Диссертация содержит введение и пять глав, 124 страницы машинописного текста, 26 рисунков, 15 таблиц, список литературы - 140 источников и 1 приложение на 25 страницах. Общий объем работы (без приложения) - 136 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель, научная новизна, практическая ценность диссертации, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано обоснование выбора объекта и направлений исследований, приведено описание структурной схемы крупнотоннажного производства карбамида, проанализированы современные направления развития теории надежности машин и агрегатов, представлен литературный обзор печатных работ по тематике диссертации.

Рассматриваемый промышленный объект включает в себя следующие структурные элементы:

1. узел приема и охлаждения двуокиси углерода;

2. установка подачи жидкого аммиака в узел синтеза;

3. турбокомпрессорная установка сжатия двуокиси углерода;

4. подсистема синтеза и дистилляции карбамида при высоком давлении (14 - 15,5 МПа);

5. узел дистилляции при среднем давлении (1,4 - 1,8 МПа);

6. установка дистилляции при низком давлении (0,2 - 0,4 МПа);

7. подсистема двухступенчатой вакуум-выпарки;

8. узел гранулирования карбамида.

По итогам проведенного литературного обзора сформулированы задачи, решаемые в диссертации.

Вторая глава содержит описание и теоретическое обоснование предложенной в работе робастной модели вариации потока отказов машин и агрегатов химических производств в течение всего срока службы, базирующейся на минимаксном подходе Хьюбера и функциях влияния Хампеля, существо которой иллюстрирует рис. 1 и приведенные ниже пояснения.

Рис. 1. Типовой временной ряд параметра потока отказов оборудования

Здесь:

• I, II и III - периоды приработки (пуск, настройка, доводка, обкатка на холостом ходу и т.д.), нормальной эксплуатации и предельного состояния объекта;
• поток отказов, определяемый как,

где - общая плотность распределения наработки на отказ оборудования (от момента ввода в эксплуатацию до замены или между двумя последовательными капитальными ремонтами);

• базовая параметрическая модель, описывающая квазистационарный или нестационарный период II, в течение которого вероятно возникновение широкого комплекса внезапных и постепенных (износовых) отказов (f2(t), принадлежит семейству Вейбулла; дополнительные распределения для окрестностей: периода приработки и предельного состояния, характеризующихся доминированием внезапных отказов и представленных малыми выборками (f1(t) и f3(t) - экспоненциальные (при 1(t) const и 3(t) const) (см. рис. 1);
• пороговые точки или точки разбалансировки, определяемые на основе функции влияния Хампеля, отражают переход от дополнительного распределения к основному (I, II) и наоборот (II, III) (если он не является ярко выраженным или отсутствует, то им при определенных допущениях можно/следует пренебречь);

• суммарная доля наработок на отказ, приходящихся на периоды I и III: 1 + 3 0,05 0,3;

Для выделения, элиминирования тренда и периодической составляющей на участке II могут быть применены H-алгоритм М-оценки (максимального правдоподобия) регрессии Хьюбера (проверка адекватности - робастный вариант критериев С() Неймана или Фишера), фильтр Клейнера и процедуры спектрального анализа.

Проверка соответствия эмпирических плотностей распределения вероятности параметрическим семействам осуществляется по критериям 2 и Колмогорова-Смирнова (Dn) (для периода II дополнительно статистика новое лучше старого Холлендера-Прошана):

,

,

здесь F(t) - интегральная плотность выборочного распределения;

- робастная М-оценка по выборке t1, Е, tn для неизвестного параметра распределения.

В качестве характеристики среднего уровня наработки на отказ можно рекомендовать использование трехчастной оценки максимального правдоподобия Хампеля, которой свойственны низкая чувствительность к большой ошибке * и локальному сдвигу *, более высокая эффективность в сравнении с медианой, а также наличие конечной точки удаления *.

Замечание. Для проверки гипотетически возможной неярко выраженной связи между значениями наработки и времени восстановления категорий оборудования в периоды приработки, нормальной эксплуатации и предельного состояния целесообразно построение, количественный и качественный анализ робастных корреляционных матриц (оценка выборочного функционала масштаба Ц, где MAD - медиана абсолютных отклонений).

В третьей главе проведено исследование эксплуатационной надежности категорий оборудования производства карбамида, выполненное в несколько стадий:

1. задание параметров плана определительных испытаний, сбор информации, определение номенклатуры показателей, которые необходимо оценить;

2. классификация отказов, категорирование структурных элементов объекта исследований, формирование выборок характеристик надежности;

3. количественное и качественное изучение статистических данных:

3.1. корреляционный анализ наработки и времени восстановления;

3.2. анализ временных рядов:

- выделение и элиминирование тренда и периодической компоненты;

- определение теоретических аппроксимирующих распределений стохастической составляющей (базовая модель и окрестности);

3.3. робастное доверительное оценивание средних уровней наработки на отказ, времени восстановления и коэффициента готовности.

План испытаний объекта исследований - NMr (общее количество неисправностей, рассмотренное в данной работе - r = 430). Вариация числа отказов по машинам и агрегатам, итоги классификации которой приведены на рис. 2 - 3, составила - 21 88.

Рис. 2. Классификация отказов производства карбамида

Рис. 3. Процентное соотношение количества отказов категорий

оборудования (наименование см. на стр. 3) объекта исследований

В процессе корреляционного анализа гипотетическая неярко выраженная связь между значениями наработки и времени восстановления категорий оборудования для периодов I, II и III за исключением нескольких случаев не установлена.

Адекватность предложенной робастной модели вариации потока отказов успешно подтверждена на примере временных рядов наработки на отказ турбокомпрессора двуокиси углерода и насосных установок производства карбамида. Результаты данной процедуры для плунжерных насосов жидкого аммиака 11-МР-1/А-С (тип KD-815 URACA, подача: 15-45 м3/ч, давление: Рвс. = не более 2,7 МПа, Рнагн.=16-24 МПа) представлены в табл. 1 и на рис. 4 - 5, ряда других машин - табл. 2.

Таблица 1

Рис. 4. Графики опытной и теоретической плотности распределения

наработки на отказ насоса 11-МР-1/А-С

Рис. 5. Временной ряд вариации среднего потока отказов насоса

11-МР-1/А-С, построенный на основе разработанной модели (в течение одного ремонтного цикла при недопущении предельного состояния

оборудования)

Таблица 2

Наименование    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям