Движение продуктов сгорания и воздуха, рассматриваемое как движение вязких жидкостей, имеет турбулентный характер и происходит при изменяющейся температуре, так как продукты сгорания охлаждаются, а воздух при наличии воздухоподогревателя нагревается. При движении продуктов сгорания, обладающих вязкостью, возникают аэродинамические сопротивления, препятствующие их движению. На преодоление этих сопротивлений заnрачивается часть энергии, которой обладает движущийся поток жидкости.
Аэродинамические сопротивления возникают в связи с наличием сил трения движущегося потока о стенки канала и возрастанием внутреннего трения в потоке при появлении на его пути различных препятствий. Для преодоления сопротивлений движущийся поток должен обладать определенным избыточным напором, который по мере продвижения по тракту будет падать.
Падение полного напора на каком-либо участке газового или воздушного тракта определяется (Па) по уравнению для несжимаемой жидкости (обычно поправка на сжимаемость вносится приближенно в конце расчета):
где ∆h - сопротивление участка, т. е. потеря полного давления, Па; z 1 и z 2 - геометрические отметки сечений участка (высота расположения их относительно выбранной плоскости отсчета), м; р а - плотность атмосферного воздуха, принимаемая постоянной в пределах небольших изменений высоты, кг/м 3 ; р - плотность протекающей среды, кг/м 3 .
Величина (Z 1 -Z 2)g(р а -р) называется самотягой. При равенстве плотностей протекающей среды р и атмосферного воздуха р а, а также при горизонтальном расположении газовоздухопровода самотяга равна нулю.
Аэродинамические сопротивления какого-либо участка тракта складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений. Для парогенераторов и водогрейных котлов к указанным сопротивлениям добавляется особый вид сопротивления - сопротивление поперечно омываемых пучков труб.
Аэродинамические сопротивления трения возникает при движении потока в прямом канале постоянного сечения, в продольно омываемых трубных пучках и в пластинчатых поверхностях нагрева.
Для изотермического потока (при постоянной плотности и вязкости протекающей среды) сопротивление трения (Па) определяется по формуле
где ʎ- коэффициент сопротивления трения, зависящий от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса; I - длина канала, м; w - скорость протекающей среды, м/с; d 3 - эквивалентный (гидравлический) диаметр, м; р - плотность протекающей среды, кг/м 3 . Эквивалентный (гидравлический) диаметр подсчитывается по формуле
где F - площадь живого сечения канала, м 2 ; U - полный периметр сечения, омываемый протекающей средой, м. Местные сопротивления (Па) рассчитываются по формуле
где £- коэффициент местного сопротивления, зависящий от геометрической формы участка (а иногда и от критерия Рейнольдса) . Расчетная скорость продуктов сгорания или воздуха (м/с) определяется по формуле
где V - расход продуктов сгорания или воздуха, м 3 /ч; F - площадь живого сечения газохода или воздуховода, м 2 . Самотяга в газоходе возникает вследствие разности плотностей окружающего воздуха и продуктов сгорания. Самотяга в газоходах аналогична тяге в дымовой трубе, которое было описано в предыдущем параграфе.
Самотяга (Па) любого участка газового тракта, а также дымовой трубы при искусственной тяге вычисляется по формуле
где H = Z 2 -Z 1 - расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечения данного участка, м; р - абсолютное среднее давление продуктов сгорания на участке (при избыточном давлении меньше 5000 Па принимается р/101 080=1), Па; р 0 - плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м 3 ; Ɵ - средняя температура продуктов сгорания на данном участке, °С; 1,23 кг/м 3 - плотность наружного воздуха при давлении 101 080 Па и температуре 20 °С.
При расчете самотяги по температуре наружного воздуха, отличающейся от 20 °С более чем на 10 °С, вместо 1,23 подставляется соответствующее значение плотности воздуха.
Самотяга может быть как положительной, так и отрицательной. Если продукты сгорания движутся снизу вверх, самотяга положительна, т. е. будет создавать дополнительный напор, который можно использовать для преодоления сопротивлений. При движении продуктов сгорания сверху вниз (как это имеет место в опускных газоходах) самотяга будет отрицательной, т. е. для ее преодоления потребуется дополнительный напор. Тяга, создаваемая дымовой трубой, всегда положительна.
Расчет сопротивлений газового и воздушного тракта парогенераторов и водогрейных котлов проводится в соответствии с нормативным методом, разработанным ЦКТИ («Аэродинамический расчет котельных установок», изд. 3-е, Л., «Энергия», 1977). В соответствии с нормативным методом сопротивления трения для большинства элементов котельного агрегата определяются приближенно. В качестве исходного для расчета применяется уравнение (12-3).Коэффициент ʎ при течении продуктов сгорания или воздуха по различным газовоздухопроводам имеет следующие приближенные значения:
Коэффициент сопротивления трения к продольно омываемых пучков труб зависит от критерия Рейнольдса, шероховатости труб и относительного шага труб в пучке. Коэффициент сопротивления продольно омываемых пучков труб определяется из кривой, приведенной на рис. 12-2. Для пользования кривой необходимо определить эквивалентный (гидравлический) диаметр по формуле
где 2 - полное число труб в газоходе; d - наружный диаметр труб, м; а и b - размеры сторон прямоугольного сечения, м. При течении продуктов сгорания или воздуха по трубам трубчатых и щелям пластинчатых (с гладкими стенками) воздухоподогревателей коэффициент сопротивления трения определяется по формуле, применимой для воздухоподогревателей, имеющих эквивалентный диаметр d э = 20/60 мм при скорости потока 5-30 м/с и температуре 300 °С, а также при скорости до 45 м/с и t>300 °С:
Сопротивление поперечно омываемых пучков гладких и ребристых труб определяется (П1а) по формуле
где £ - коэффициент сопротивления, зависящий от числа рядов и расположения труб в пучке, а также от критерия Рейнольдса; w - скорость потока, определяемая по сжатому сечению газохода, расположенному в осевой плоскости труб перпендикулярно потоку газов. Коэффициент сопротивления гладкотрубного коридорного пучка
где z 2 - число рядов труб по глубине пучка; £ 0 - коэффициент сопротивления, отнесенный к одному ряду пучка. Значение £ 0 определяется по следующим формулам:
здесь σ 1 = S i /d - относительный шаг по ширине пучка; σ 2 = s 2 /d - относительный шаг по глубине пучка; ф.
Все местные сопротивления рассчитываются по уравнению (12-5). При расчете местных сопротивлений считается, что потеря напора происходит в одном заданном сечении тракта. В действительности потеря механической энергии потока вследствие изменения формы или направления канала происходит на более или менее длинном участке тракта. Поэтому принимается, что местное сопротивление представляет собой разность фактической потери напора на этом участке и потери, которая имела бы место при неизменных форме и направлении газохода.
Коэффициент местного сопротивления зависит от конфигурации фасонной части газовоздухопровода и определяется экспериментальным путем. Значения этого коэффициента для различных фасонных частей, горелок и других элементов котельной установки приведены в нормативном методе («Аэродинамический расчет котельных установок»).
Сопротивление всего газового или воздушного тракта определяется как сумма сопротивлений всех последовательно расположенных участков. Перепад полных давлений по газовому тракту (Па) рассчитывается при уравновешенной тяге по формуле
где ∆Н - суммарное сопротивление газового тракта, Па; h T " - разрежение на выходе из топки, принимаемое равным 20 Па; Н с - суммарная самотяга газового тракта с соответствующим знаком, Па. Перепад полных давлений по воздушному тракту (при уравновешенной тяге) определяется (Па) по формуле
где ∆Н - суммарное сопротивление воздушного тракта, Па; Н с - самотяга воздушного тракта, рассчитываемая только для двух участков: воздухоподогревателя и всего воздухопровода горячего воздуха, Па; h T " - разрежение в топке на уровне ввода воздуха (обычно больше h T " на самотягу в топке), Па.
Полное сопротивление газового и воздушного тракта парогенератора и водогрейного котла, как это ясно из приведенных выше уравнений, зависит также от квадрата скорости потока. В связи с этим для основных участков достаточно большой протяженности следует выбирать оптимальную скорость потока продуктов сгорания или воздуха. Оптимальной скоростью называется такая, при которой суммарные эксплуатационные затраты минимальны.
Оптимальная скорость продуктов сгорания и воздуха в стальных газовоздухопроводах зависит от их конфигурации и конструкции, мощности котельной установки, графика потребления теплоты, экономичности тягодутьевых устройств, температуры потока, стоимости оборудования и электроэнергии и от других характеристик. Оптимальные скорости для парогенераторов и водогрейных котлов, работающих под наддувом, на 10 % больше, чем при уравновешенной тяге. Приближенные значения оптимальной скорости, рекомендуемые нормативным методом, приведены в табл. 12-1.
При выборе газовоздушного тракта парового или водогрейного котла серьезное внимание должно уделяться рациональной компоновке и трассировке газовоздухопроводов. Схема газового и воздушного тракта агрегата должна быть простой и способствовать повышению надежности и экономичности работы установки. В связи с этим даже в установках малой мощности рекомендуется применять индивидуальную компоновку хвостовых поверхностей нагрева, золоуловителей и тягодутьевых устройств без обводных газоходов и соединительных коллекторов.
Схема и расположение газовоздухопроводов должны выбираться так, чтобы сопротивление тракта было минимальным при оптимальных скоростях потока. Рекомендуются преимущественно газовоздухопроводы круглого сечения, так как на их изготовление расходуется меньше металла и изоляции по сравнению с газовоздухопроводами квадратного, и особенно прямоугольного сечения.
Газоходы паровых и водогрейных котлов, работающих на взрывоопасных топливах (торф, мазут, природный газ), не должны иметь участков, в которых возможны отложения несгоревших частиц или сажи, а также застойных, плохо вентилируемых зон. Такими участками чаще всего являются соединительные короба и перемычки, лежащие вне основного потока. В обходных газоходах, направляющих продукты сгорания мимо поверхности нагрева, золоуловителя или особенно дымососа, рекомендуется последовательная установка двух плотных шиберов на прямых учавтках с возможно меньшей скоростью потока.
В местах резких поворотов потока для частичного улавливания золы иногда устраивают бункеры (например, под хвостовыми поверхностями нагрева). Однако это приводит к усложнению условий эксплуатации и не обеспечивает эффективного улавливания летучей золы. Поэтому установка бункеров под резкими поворотами не рекомендуется.
При транспортировании запыленных продуктов сгорания скорость их на протяженных горизонтальных участках должна быть не менее 7-8 м/с во избежание отложения золы. При сжигании топлив, имеющих абразивную золу, скорость на участке до золоуловителя не должна превышать 12-15 м/с для предотвращения интенсивного золового износа тракта.
Организация должна разработать, внедрить и поддерживать процессы и процедуры для выявления возможностей и оценки, приоритезации и реализации мероприятий для достижения постоянного улучшения в направлениях. Результатом анализа со стороны руководства, в соответствии с обязательствами организации по непрерывному повышению, должны включать решения и действия, направленные на возможные изменения политики управления активами, стратегии и целей, требований к характеристикам по управлению активами и к ресурсам.
«Управление активами»
Методология обслуживания, обеспечивающая надежность оборудования (RCM) является эволюционным подходом к надежности оборудования. Она сосредоточена на оптимизации профилактических и диагностических программ технического обслуживания для повышения эффективности оборудования (безотказной работы, производительности и качества) при минимизации связанных с этим расходов на техническое обслуживание. Подход RCM можно представить, как процесс принятия решений, показанный на рисунке 19.
Примечание . В этой главе нет возможности дать подробное описание методологии обслуживания обеспечивающей надежность оборудования. Ознакомиться с детальным определением подхода к RCM можно обратившись к стандарту SAE JA1012 (“A Guide to the Reliability-Centered Maintenance (RCM) Standard”) и к SAE JA1011 (“Evaluation Criteria for RCM Processes”). Краткое описание методологии RCM-анализа можно найти в http://sov-system.ru/files/RCM-analysis.pdf (откуда и заимствован рис 19). Подробное описание см. Neil B. Bloom «Reliability Centered Maintenance».
В дереве решений при оценке необходимости разработки профилактических и диагностических задач обслуживания, принимаются во внимание последствия отказа. Например, если нормативное требование по безопасности работника или окружающей среды будет под угрозой нарушения, профилактические и диагностические программы должны быть изменены таким образом, что бы их следствием появились:
- возможность предотвращения отказа путем надлежащего профилактического обслуживания;
- своевременное диагностирование и прогнозирование для своевременного выявления дефектного компонент до того как произойдет сбой;
- внесение таких изменений в конструкции оборудования, которые бы исключали компонент, который подвержен отказам.
Рис. 19 Процесс принятия решения о методе обслуживания
Если сбой может привести к серьезной остановке производства или потере производительности, то тот же самый процесс должен применяться для устранения этой проблемы.
Если ответы на первые два вопроса дерева решений отрицательные, тогда следующим вопросом будет вопрос: насколько серьёзен с отказ с точки зрения стоимости и сложности ремонта? Если да – серьезен и ремонт дорогостоящий, то профилактическое и диагностическое обслуживание должно применяться.
Если нет, то продолжение эксплуатации до отказа является приемлемой альтернативой.
В реальности, по мере появления проблем, полноценный анализ идет по каждому шагу процесса. Необходимо понимать динамику взаимодействия компонентов оборудования, для выявления именно тех компонент, которые привели к сбою в работе оборудования и оценивать все последствия каждого из отказов. Также необходимо понимать возможности обеих профилактических и диагностических методов, для того чтобы решить, какой из них наилучшим образом будет препятствовать отказу или способствовать обнаружению дефектов.
Эти сложности объясняют причину, по которой большинство RCM проектов выполняются одной командой. Ни один человек не имеет всех знаний, чтобы принимать все решения в процессе RCM.
Поскольку RCM – это передовая технология, которую намерена использовать организация, необходимо каким-то образом контролировать эту деятельность? Следующие показатели помогают контролировать RCM.
1. Процент повторяющихся отказов оборудования
Этот показатель сравнивает повторяющиеся отказы на критически важном оборудовании с общим числом отказов. В результате показатель позволяет сосредоточиться на устранение тех неисправностей, для которых необходим весь процесс RCM. Основное внимание сначала следует уделить критическому оборудованию, а затем список может быть расширен для второго и третьего уровня оборудования, по мере появления возможностей и ресурсов.
Этот показатель может быть получен путем деления количества повторяющихся отказов оборудования на общее количество отказов оборудования. В результате процент показывает возможности для снижения отказов оборудования в процессе RCM. Показатель должен отслеживаться для отдельного элемента оборудования, но может быть агрегирован до уровня линии, процесса, отдела или области. Эта информация может отслеживаться ежемесячно или (для более активных организаций) ежеквартально. Это позволит выявить тренд (динамику) показателя на скользящем 12-ти месячном интервале. Этот тренд должен показывать на снижение процента повторных отказов, которое происходит благодаря решениям, принимаемым в процессе улучшений программы RCM.
Достоинства
Показатель полезен для выделения потенциальных кандидатов для анализа RCM по повторяющимся отказам оборудования.
Недостатки
Есть два основных соображения при использовании этого показателя. Во-первых, точность данных об отказах оборудования является необходимым условием перед началом процесса. Во-вторых, несмотря на важность этого показателя, он не должен быть единственным центром усилий RCM. Это только одна из областей, в которых методики RCM могут быть полезными для предприятия. Другие показатели будут показывать другие возможности.
2. Процент отказов оборудования, по которым анализ основных причин отказа выполнен
Этот показатель сравнивает количество отказов оборудования, по которым причинно-следственный анализ причины возникновения отказов был проведен, с общим числом отказов оборудования. В результате показатель позволяет сосредоточиться на устранение тех неисправностей, для которых необходим весь процесс RCM. Основное внимание сначала следует уделить критическому оборудованию, а затем список может быть расширен для второго и третьего уровня оборудования, по мере появления возможностей и ресурсов.
Этот показатель может быть получен путем деления количества отказов оборудования, где анализ первопричины отказа был проведен, на общее количество оборудования имевшего отказы. В результате показатель представляет возможность понять, где есть данные, дающие основания, чтобы начать процесс RCM. Через дальнейшие сравнения, общие первопричины могут быть идентифицированы, открывая возможности для значительного улучшения программ RCM, путем устранения причин множественных отказов. Показатель должен отслеживаться для отдельного элемента оборудования, но может быть агрегирован до уровня линии, процесса, отдела или области. Эта информация может отслеживаться ежемесячно или (для более активных организаций) ежеквартально. Это позволит выявить тренд (динамику) показателя на скользящем 12-ти месячном интервале. Этот тренд должен показывать на снижение процента повторных отказов, которое происходит благодаря решениям, принимаемым в процессе улучшений программы RCM.
Достоинства
Показатель полезен для выделения потенциальных кандидатов для анализа программ RCM, направленных на выявление действительных причин отказов оборудования.
Недостатки
Существует только один из существенных моментов при использовании этого показателя. Точные данные о причинах отказа оборудования является необходимым условием перед началом процесса. В анализе причин не должно быть догадок и предположений, в противном случае будут допущены дорогостоящие ошибки.
3. Процент PM программ, ежегодно оцениваемых на эффективность
Этот показатель показывает долю превентивных задач по обслуживанию, по которым ежегодно проводится аудит на предмет их эффективности. Он сравнивает их число с общим числом профилактических работ по техническому обслуживанию. Показатель показывает долю задач, по которым производится сопоставление фактических данных по истории отказов и данных по выявленным действительным причинам, подтверждая тем, что процедуры PM исполняются правильно и что они в настоящее время осуществляются с правильной частотой.
Этот показатель может быть получен путем деления общего количества проверенных профилактических работ по техническому обслуживанию на общее количество профилактических работ. Результат, который выражается в процентах, может быть рассчитан на годичном интервале и в течение многолетнего периода. Чтобы показатель был значимым, усилия придется прилагать в течение многих лет.
Достоинства
Этот показатель оказывается полезным для придания уверенности в том, программы профилактического обслуживания находятся под пристальным контролем. Показатель может быть рассмотрен в разрезе профессий, оборудования, областей деятельности или по отделу, что позволяет сконцентрировать усилия на программах PM.
Недостатки
Единственным крупным недостатком этого показателя является то, что он является запаздывающим показатель. Хотя она может быть использована путем деления общего числа мероприятий профилактического обслуживания на 12 и рассчитываться на ежемесячной основе, но эта расчетная величина, как правило, не имеет большой ценности.
4. Процент PDM программ, ежегодно оцениваемых на эффективность
Этот показатель сравнивает число задач диагностического обслуживания, по которым ежегодно проводится аудит на предмет их эффективности с общим числом профилактических работ по техническому обслуживанию. Показатель показывает долю задач, по которым производится сопоставление истории обслуживания оборудования и данных по выявлению действительных причин отказов, подтверждая тем самым, что процедуры диагностического обслуживанию исполняются правильно.
Этот показатель может быть получен путем деления общего количества выполненных диагностических работ по техническому обслуживанию на общее количество профилактических работ. Результат, который выражается в процентах, может быть рассчитан на годичном интервале и в течение многолетнего периода. Чтобы показатель был значимым, усилия придется прилагать в течение многих лет.
Достоинства
Этот показатель оказывается полезным для придания уверенности в том, программы диагностического обслуживания находятся под пристальным контролем. Показатель может быть рассмотрен в разрезе профессий, оборудования, областей деятельности или по отделу, что позволяет сконцентрировать усилия на программах PDM.
Недостатки
Единственным крупным недостатком этого показателя является то, что он является запаздывающим показателем. Хотя она может быть использована путем деления общего числа мероприятий диагностического обслуживания на 12 и рассчитываться на ежемесячной основе, но эта расчетная величина, как правило, не имеет большой ценности.
5. Экономические эффекты программ RCM
Несколько показателей позволяют оценить сокращение затрат, которые реализуются в рамках программы RCM. Этот набор показателей является жизненно важным для компаний, желающих поддерживать ресурсами, необходимыми для непрерывного поддержания программы RCM. Как и в других направлениях программы обслуживания, должна быть обеспечена финансовая отдача от инвестиций программы RCM, что бы мотивировать руководство к их продолжению. Программы RCM дают финансовую отдачу, по крайней мере, в трех основных областях.
Срок службы оборудования
Поскольку оборудование находится под пристальным контролем со стороны профилактических и диагностических программ технического обслуживания, число поломок сокращается либо их вообще нет, срок службы оборудования на заводе приближается к максимально возможному значению. Поскольку оборудование работает непрерывно, его производственная пропускная способность увеличивается. Если добавленная стоимость, полученная благодаря увеличению производства, рассчитывается, можно увидеть значительную отдачу от инвестиций в RCM.
Увеличение производственной мощности оборудования
В дополнение к увеличению времени безотказной работы, программа RCM также повышает эффективность работы. Другими словами, теперь оборудование работает на проектной мощности. В некоторых случаях заводское оборудование работает только на 70% или 80%, от проектной производительности. Производственные потери в результате этого составляют 20% - 30% от прибыли актива. Если эти потери будут устранены, то экономия будет значительной. Процесс RCM может помочь восстановить эту утраченную производственную мощность.
Трудовые ресурсы технического обслуживания
По достижению этого зрелости, организация обслуживания не уподобляется борьбе с пожарами. Таким образом, экономия возникает не столько от повышения производительности труда, сколько от сокращения неэффективных работ в виде профилактического и предупредительного обслуживания, которые выполняются слишком часто, а так же диагностических проверок, которые либо делаются слишком часто, либо не являются необходимыми.
Нет прямых формулы для расчета этих показателей. Каждый из них отслеживается отдельно по элементам оборудования, так же, как это выполняется для анализа RCM. Финансовые результаты можно отслеживать для каждой части показателя отдельно, затем суммировать для оценки общего эффекта. Не существует стандартного способа для выполнения этих расчетов, из-за различий в производственных процессах и системах бухгалтерского учета в различных компаниях.
Достоинства
Этот показатель является обязательным для развития и сохранения организационной поддержки программам RCM. Он может быть полезно для пропаганды в организации тех финансовых преимуществ, которые дают программы RCM и демонстрации их вклада в прибыльность компании. Он также полезен для гарантии того, что средства, вложенные в программы, окупаются.
Недостатки
Единственным крупным недостатком этого показателя является проблема сбора достаточно точных и достоверных данных о затратах, которые не вызовут дебатов и сомнений. Они должны быть сопоставимы с данными бухгалтерского учета. Кроме того, много усилий требуется, чтобы эти данные собрать. Эти усилия не следует недооценивать при запуске сбора данных и отслеживания.