Курс «Современный ТРИЗ». Модуль «Алгоритм решения инжиниринговых задач АРИнЗ»

Рис.6. Современные системы расчета клапанов на основе моделирования

Рис. 7. Характеристики разных типов клапанов

Все это без сомнения даст определенные преимущества для подготавливаемого предложения, особенно в качестве регулирования и повышения точности, рис.8

Рис. 8. Уменьшение вариабельности процесса при замене седловых клапанов на высокоточный клапан Neles ACE

Повышение интеллектуальности арматуры

Увеличение интеллектуальности и сложности клапанов, повышение требований к надежности и высокой скорости обработки информации привели к необходимости развития диагностики и сервиса. Для этих целей все больше привлекаются квалифицированные и сертифицированные производителем специалисты сервисных центров. Для поддержки клапанов в эффективном рабочем состоянии и с ростом использования цифровой технологии практически обязательным становится использование встроенных систем диагностики.

Происходит постоянное совершенствование самих клапанов и их инструментария. Наибольшему изменению подверглись приводы и позиционеры, в которых все большую роль начинают играть цифровые позиционеры и приводы с минимальным трением и повышенной точностью выполнения задания. Системы пневматики и преобразования сигнала уже стали единым целым и все больше сочетаются с приводом, также полностью интегрируясь в единый преобразовательный блок. Для опасных производств разработаны специальные позиционеры и устройства интеллектуальной отсечки во взрывозащищенном исполнении, рис. 9,10.

Рис. 9. Система диагностики отсечных клапанов для опасных производств

Рис. 10. Позиционер ND во взрывобезопасном исполнении для опасных производств

Хотя для любого западного инвестора важность этого вопроса не вызывает сомнений, однако для предприятия, желающего шагнуть из 60-х годов 20-го века сразу в 21-й век, наверное, этот переход будет слишком тяжел. Ведь чтобы так широко шагнуть, нужно иметь и образованный по цифровым технологиям персонал, и вытекающую из его желаний зарплату, культуру производства и пр. Правда и ответ напрашивается сам собой – сделать проект вместе с внешним сервисным обслуживанием, когда бы цифровая арматура обслуживалась бы специалистами, имеющими знание и опыт. Но посмотрим…

Изменение требований к КИП и А

Учитывая более высокие требования цифровых устройств к воздуху, предприятия одновременно с модернизацией контуров регулирования проводят и дополнительные мероприятия по подготовке воздуха, одновременно модернизируя системы подготовки инструментального воздуха, или устанавливая фильтры-регуляторы, как на сами клапаны, так и на системы пневмораспределения в целом.

Объем вспомогательных работ может существенно увеличиться и бюджет слишком вырасти. Хотя это, по сути, и не наш вопрос, однако, он может повлиять на решение предприятия.

Изменения в подходе сервису и ремонту

Необходимость снижения издержек за счет повышения ремонтопригодности. Снижение издержек также достигается и применением ремонтопригодной арматуры, где обслуживание и замена внутренних частей может производиться непосредственно на линии. Это – верхний вход на клапане, или простота разборки для поворотных заслонок, а лучше не снимать, а диагностировать…

Повышение требований к унификации

Требования к надежности и сокращению издержек с уменьшением числа производителей качественной арматуры приводят к необходимости дальнейшей унификации клапанов. Целью при этом является выявление дополнительных резервов по снижению эксплуатационных затрат. Производители стремятся разработать многофункциональные, но стандартные клапаны модульного исполнения, в которых внутренние элементы могут заменяться в зависимости от требований конкретного технологического процесса.

Далекое ли это будущее, когда моральное устаревание будет столь быстрым, что даже производители собственных клапанов не будут за ним поспевать. Чтобы немного снизить напряженность этой проблемы, тем более для предприятия, заложившего отдачу от инвестиций за длительное время, этот модульный подход и взаимозаменяемость элементов внутри модуля – спасение.

Изменение в подходах к закупкам и инвестициям

Выделение арматуры и КИП в отдельную спецификацию. Арматура, как один из специализированных элементов технологической линии все более часто выделяется в отдельную спецификацию, что позволяет очень индивидуально применить системы диагностики, сервисного обслуживания, обменного фонда. В то же время клапаны и арматура мировых производителей, выполняемая по проверенным интерфейсам, позволяет работать с различными системами автоматизации.

Все это вытекает из унификации. Она позволяет получить, и диагностику, и консигнационный склад, и обменный фонд. Наша цель будет – максимальное доказательство этого тезиса.

Экономия за счет снижения издержек за весь срок жизни проекта

Несмотря на рост стоимости интеллектуальных клапанов и систем обслуживания, компании находят значительную экономию за счет уменьшения простоев, снижения колебательности процесса, ужесточения технологических параметров, уменьшения неоправданных перерасходов материала, снижения потерь, уменьшения объема хранения запчастей и др.

Рис. 11. Снижение стоимости владения.

Максимальные затраты приходятся на технологические потери, а при расчете издержек на клапан – на обслуживание и ремонт. Их снижение позволит существенно уменьшить стоимость владения арматурой за весь цикл проекта. Наш инжиниринговый смарт калькулятор должен сыграть здесь свою роль. Тогда и финансистам будет легче показать истинные затраты, например, рассчитанные на тонну продукции за срок жизни проекта.

Рис. 12. Эффективность внедрения сервисного обслуживания на основе плановой диагностики

Источники экономического эффекта при модернизации производства с применением интеллектуальной арматуры и цифровых позиционеров ND 9000.

1. Снижение потребления сырья и дорогих химикатов за счет уменьшения погрешности регулирования с 3–5% до 1–1,5% (до 80% от общего экономического эффекта).

2. Повышение выхода кристаллов соды оптимального гранулометрического состава, особенно, по колоннам за счет повышения точности регулирования во взаимосвязанных контурах.

3. Снижение затрат на обслуживание и повышение долговременной стабильности технологического процесса при переходе на цифровые позиционеры с плановой диагностикой.

Еще один важный элемент подготовки предложения – это анализ референцев. Рассмотрим референцы Метсо в содовой промышленности. Метсо работает с основным производителем соды в мире – Бельгийской группой Solvay. Некоторые из 42 предприятий SOLVAY, с которыми работает МА:

SOLVAY SODI, Devnya, Bolgaria

SOLVAY SANAI, Turkey

SOLVAY SODA GMBh, Rheinberg, Germany

SOLVAY Corporation, Brussel, Belgium

SOLVAY, Rosignano, Italy

SOLVAY, Portugal

SOLVAY, Poland

SOLVAY SODA CARBONATE, Alexandria, Egypt

SOLVAY CARBONATE FRANCE, Dombasle, France

SOLVAY IBERICA, Martorell, Spain

Референцы – это самое главное. Предприятия – не научная лаборатория, где можно проводить опыты. А передача на тестирование в опытную эксплуатацию – долго, накладно и неопределенно. Если у вас есть работающие решения – это большая вероятность того, что они будут приняты и на новом предприятии.

Эти положения были использованы в качестве базовых для подготовки предложения по арматуре для содовых производств и применяемых решений, приведенных как в базовом техническом предложении, так и в предложениях по совершенствованию контуров регулирования.

Таким образом, уже на предварительном (подготовительном и информационном) этапе удалось собрать достаточно информации для анализа возможностей использования современных инжиниринговых решений для данного производства. Отметим, что этот этап по напряженности работы и отличимых выводов для дальнейшей проработки со специалистами является наиболее тяжелым и трудоемким. Невидимыми нитями он связан с решениями, которые предлагают конкуренты и собственным видением специалистов, что может абсолютно не соответствовать выводам и последующим решениям, предлагаемым компанией.

За предварительным этапом последовала следующая часть анализа, основанная уже на опросных листах, присланных специалистом КИП, которому было поручено провести работу по получению предложений. С ним же велась значительная по объему предварительная переписка, во многом основывающаяся на диагностических вопросах (см. табл. «Контрольные вопросы в Горобченко С.Л, Применение комплексного инженерно-стоимостного анализа для маркетинговых целей, ТПА – экспресс 1\2013»). Они суммировались в следующие проблемные пункты:

Особенности примененных технических решений по регулирующим клапанам по представленной спецификации

КЛАПАНЫ

1. Большое количество примененных седловых клапанов.

1.1. В частности, для регулирования, там, где могут быть применены поворотные клапаны с большей способностью к регулированию и большей эффективностью. Общее количество регулирующих клапанов по спецификации составило 70 ед. отсечных по лоту 167 ед. из них значительное число – седловых линейных клапанов и задвижек. Имея в основном линейную собственную характеристику, седловые клапаны задают значительные нелинейности и возмущения в контурах.

1.2. Отсутствуют требования по степени линейности характеристики, например: «не менее чем до открытия 60% или выше».

1.3. Проблемой при использовании седловых клапанов могут стать протечки через узел «шток – сальник». Отмечено, что основные выбросы в цеху происходят через регулирующие седловые клапаны.

1.4. При использовании седловых клапанов дополнительной проблемой может стать необходимость постоянных перенастроек для соответствия заданному сигналу. Косвенно, специалисты КИПиА могут стремиться к установке т.н. наиболее «слабых» настроек, что снижает быстродействие систем и приводит к потере качества управления. Если настройки не меняются, то качество управления, как правило, падает. Для устранения подобных явлений, необходимо периодически проводить диагностику работы на соответствие выполнения сигнала заданию. Эффективность применения современной системы АСУ ТП при слабых настройках будет резко снижена. Пример анализа роста дисперсии ошибки со временем из-за слабых настроек показан на рис. 13 (по данным КЦ Промконсалт ВШТЭ СПбГУПТД, Санкт-Петербург).

Рис. 13. Зависимость дисперсии ошибки от коэффициента усиления К при различных возмущениях.

Ниже и доказательство этого, построенного на анализе внедрения многих АСУ ТП с разными исполнительными устройствами. Заметно падение эффективности применения современной системы АСУТП при применении неэффективных исполнительных устройств, рис.14.

Рис. 14. Графики изменения показателей П1, П2 и П3 проекта АСУ ТП при различных вариантах модернизации регулирующей арматуры

1.5. В спецификации отсутствуют требования к позиционированию клапанов и позиционерам, способным работать в современных АСУ ТП.

1.6. При использовании седловых клапанов вероятно увеличение требований к насосам, чтобы обеспечить преодоление появляющихся дополнительных гидравлических сопротивлений. Гидравлическое сопротивление седловых клапанов достигает 4–6, тогда как у полнопроходных шаровых кранов и заслонок – 0,2.

1.7. Для уменьшения гидравлических сопротивлений будет выгоднее работать не в традиционной области 50–60% открытия, а выше.

2. Наличие большого числа элементов, имеющих значительные возможности для унификации, например, поворотные заслонки для регулирования и отсечки в ручном и автоматическом исполнении могут быть унифицированы.

3. Применение в схеме клапанов в варианте «отсечной – регулирующий», особенно для участков с обратным противодавлением среды.

4. Использование специализированного решения с фланцами.

ТРУБОПРОВОД

– Установка новых клапанов в существующую трубопроводную обвязку. При этом заужение трубопровода для обеспечения регулирования (по опросным листам) может достигать более 50%.

– Зарастание трубопровода является одной из главных проблем. Степень зарастания трубопровода может достигать 70%. Пример по опросу специалистов: зарастание трубопровода 600 мм в диаметре с уменьшением диаметра до 100 мм.

– Необходимость учета обслуживания трубопровода с применением заглушек.

– Большая доля чугунных трубопроводов.

– Требование повышения коррозионностойкости для участков аммонизированного рассола. Аммонизированный рассол представляет собой агрессивные растворы из САР с температурой до 70оС и жидкость ПГКл-1 с температурой до 38–40оС.

ТЕХПРОЦЕСС

1. Высокая вероятность изменения показателей регулируемой среды в зависимости от минимального изменения параметров среды и технологического режима.

2. Высокие максимальные расходы для многих контуров подачи газовых сред. При этом имеется значительная разница между максимальным и минимальным расходом.

3. Наличие участков с вредными условиями труда в связи с высокой вредностью производства. Высокий класс герметичности для участков подачи ядовитых сред, характеризующихся высокой щелочностью. Наиболее характерными средами являются Н2S и NH3.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ

1. Проблемы с наличием обученного персонала.

2. Несмотря на заявленные требования по безопасности – отсутствие требований по сертификации по ограничению выбросов, например, сертификации по летучим выбросам (fuggitive emissions).

3. Наличие значительных неопределенных вибраций трубопровода, гидроударов, срывов потока.

4. Отсутствуют требования к эксплуатации, обслуживанию и сервису клапанов.

5. Требование большего внимания к обслуживанию арматуры, в частности, снижения веса. Это позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала до 1 человека вместо 2-х и более.

6. Быстрый износ клапанов приводит к выходу из строя клапанов в течение до 2-х мес. (известковое молочко).

Проблема выбора клапанов для спецификации, понятая как одна организационно-техническая проблема, была обобщена, как показано на рис.15.

Рис. 15. Диаграмма Исикавы организационно-технических проблем на содовом предприятии

Проблемы оказались во многом взаимосвязаны. По экспертным оценкам специалистов предприятия в большей степени регулирующая арматура оказалась связана с техпроцессом и эксплуатацией. Запорная арматура – с трубопроводом.

В целом, решения по клапанам и системе автоматизации оказались очень старыми. Так, управление основывалось еще на пневмосхемах разработки 70-х годов. Осознавая свое отставание, предприятие стремилось внедрить современную технологию на основе современных сетевых решениях АСУ ТП.

Настала пора познакомиться с предприятием поближе и узнать расстановку сил на предприятии. Основные проблемы при внедрении новых клапанов заключаются в т.ч. и в том, насколько специалисты подготовлены к новым решениям и какие уже доминанты находятся в их головах. Анализ «поля сил» и основные приоритеты предприятия, которые связаны с возможностями современной арматуры, и на которые можно было бы опереться при подготовке предложения, являлось основной заботой.

Поскольку мы получили ответы в основном от отдела КИП, то за бортом осталось мнение производств, механика, компании–интегратора АСУ ТП, и непосредственно главных специалистов и главного инженера. Степень их влияния в принятии решения также неизвестна. Как известно, эксплуатация и технологи могут быть и королями мнений и бюджетов, а могут и полностью зависеть от непроизводственных служб.

ВПЕРЕД В «ПОЛЕ»

Спланирована командировка и наши специалисты выехали на предприятие. Проблемы, как мы и ожидали, подтвердились. Старое предприятие, желающее стать более конкурентоспособным, имеющее большой потенциал экспорта, но имеющее и все проблемы, характерные для старых постсоветских промышленных гигантов.

Первый день полностью провели на ногах, общаясь по возможности со всеми специалистами, которые будут привлечены к реконструкции. Пройдены все участки, где планируется установка новой системы автоматизации и клапанов, проведены встречи с большинством начальников цехов, механиками, технологами и киповцами.

На встречах не раз боролись мнения технологов и эксплуатации, КИПа и механиков. Яркая картина противостояния различных мнений, где, похоже, решающее слово будет за эксплуатацией. Однако своего слова не сказал еще главный инженер, и мы знаем, что на вертикально-интегрированных предприятиях с Советской школой мнение руководства может быть определяющим. Намечено совещание, на котором будет заслушана наша компания, и мы должны предложить наиболее сильное решение, удовлетворяющее всех специалистов.

Важным дополнением к информации, которую мы получили от отдела КИП, стало то, что до сегодняшнего дня ни у одного из специалистов нет уверенности в том, какие клапаны могут действительно работать на таких сложных кристаллизующихся средах с высокой вероятностью быстрого зарастания, как сода. Предприятие использовало множество клапанов от различных производителей и так и не нашло подходящего. В связи с этим не раз звучало, что мы должны поставить клапан на испытание. Определились и другие проблемы, связанные с предыдущим опытом предприятия.

ИНЖЕНЕРНО-СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ

Наступила очередь настоящего инженерного анализа опросных листов и разработки общих технических положений для последующей подготовки ТКП. При анализе опросных листов поэлементному анализу подвергся каждый из типов установленной арматуры и причины его установки. Особое внимание уделяли при этом несоответствию между типом устанавливаемого клапана, его стоимостью и его функциональной значимостью для процесса регулирования, возможности работы в кристаллизующейся среде и другим критериям, вызывающим повышенную озабоченность специалистов. Схема типовой ранее используемой и предлагаемой арматуры показана на рис.16.

Рис. 16. Общий вид используемого клапана

Для проведения поэлементного анализа и сравнения с возможными проблемами, которые могут возникнуть при эксплуатации в аммиачной воде и кристаллизующихся средах из инструкции по эксплуатации был взят поэлементный чертеж клапана, рис.17.

Рис. 17. Сборочный чертеж клапана

Одновременно из инструкции по эксплуатации были выделены основные сведения, касающиеся запчастей, неисправностей и способов их устранения, рекомендуемых заводом-изготовителем. Данные по основным узлам были сведены в матрицу функций, с целью дальнейшего проведения поэлементного анализа.

Табл. 1. Матрица функций элементов арматуры

Прим.* О – основной элемент; В – Вспомогательный элемент; Вр – оказывающий вредное воздействие

Функциональный поэлементный анализ

Разбиение элементов на основные и вспомогательные позволяет провести их функционально-стоимостной анализ поэлементно. Основными элементами клапана являются рабочий орган и седло, как функциональный центр клапана, относительно которого и происходит все регулирование. Шток, сальники и подшипник, обеспечивают «силовую» и «трансмиссионную» часть клапана и работу рабочего органа. Наконец, вспомогательную функцию объединения всех деталей и направления потока в рабочую зону рабочего органа и седла обеспечивает корпус. Роль фланца состоит в обеспечении крепления клапана к трубопроводу. Разберемся в их роли подробнее и поищем, где есть разрывы между стоимостью узла (элемента) и его вкладом в выполнение полезной функции.

Первым из таких элементов выступал собственно тип клапана. Седловой клапан, как показанный на рис.18, не имеет возможности регулировать при сложном переменном составе среды. На нем происходит залипание и кристаллизация среды, со значительным уменьшением условного прохода. Значительные гидравлические сопротивления не дают возможности использовать все сечение трубопровода для перекачки дисперсных кристаллизующихся сред. Тем более невозможно сэкономить на уменьшении энергопотребления насосами.

Чтобы обеспечить работоспособность клапана в условиях абразивного износа, проектанты часто приравнивают эти условия к максимально жестким и, соответственно закладывают максимально жесткие конструкции клапанов. Например, ими могут быть пробковые клапаны. Однако среда забивается под конус, а высокая поверхность соприкосновения в этом случае создает «лучшие» условия для забивания трущихся поверхностей седла и конусной пробки и последующего непременного заклинивания.

Таким образом, жесткие конструкции клапанов не подходят. К тому же любое сужение, перегибы проточной части, как показано в вентиле, помогают абразивному износу. Оптимальным решением была бы полностью проходная проточная часть.

Вторым из таких элементов с непропорционально высоким вкладом в стоимость клапана и выполняемой функцией оказался фланец клапана. Основная функция фланца – обеспечивать присоединение арматуры к трубопроводу и гарантировать его безопасную эксплуатацию. Но при рабочих давлениях не выше 1–3 Бар, можно обойтись и без фланца на клапане, что существенно снизит его стоимость. Различные вибрации, возникающие в трубопроводе, хорошо гасятся все больше внедряемыми спирально-навивными прокладками. А ведь стоимость фланца в клапане весьма высока и часто поднимает его стоимость более чем на 30%. Явный разрыв. Нет фланца – есть экономия. А бесфланцевый клапан при таких давлениях вполне применим.

Третьим элементом был собственно шток и трудности его уплотнения в таких кристаллизующихся средах. Движение такого штока вверх-вниз с налипшей на него средой всегда приведут к повышенному износу сальникового уплотнения, а за ним и к утечкам и заклиниванию. Собственно цепочка – «седловой клапан (типа вентиля)» – «проблемы утечки и заклинивания» – «проблемы износа штока и уплотнения» взаимосвязаны. Корнем проблемы является возвратно-поступательный тип клапана.

Четвертым элементом с непропорционально большим вкладом в стоимость арматуры оказался корпус и, особенно, материал корпуса. Была применена нержавеющая сталь. Поиск данных по коррозионной стойкости различных материалов в используемых щелочных средах показал, что в своем большинстве может быть применена углеродистая сталь. Она имеет большую прочность и твердость по сравнению с обычно применяемой нержавеющей сталью, и способна значительно больше сопротивляться коррозионно-эрозионному износу. Здесь удалось найти значительно большую почву для экономии по сравнению с другими элементами.

Несмотря на очевидность необходимости корпуса для формирования потока, корпус – это вспомогательная деталь. При этом корпус – самая дорогая, самая сложная в изготовлении и материалоемкая деталь, достигающая до 70% стоимости изготовления всего клапана. Чем меньше корпуса, тем лучше. Чтобы реализовать это на практике – нужно упростить форму, лучше до формы, близкой к трубопроводной, обеспечить полнопроходность, уменьшить размеры, например, за счет устранения фланцев и передачи их в трубопровод (т.н. прифланцовываемое исполнение).

Как видно, рабочий орган и седло оказывают не только положительное (регулирующее воздействие), но и из-за дросселирующего эффекта они могут оказывать отрицательное воздействие на среду после себя, например, при неправильном расчете вызывая значительную нелинейность, автоколебания, в критичном случае – кавитацию, вскипание, слишком значительное падение давления и пр. В связи с этим и, учитывая характер среды, лучше работать в верхней части диапазона регулирования.

Как видно, многие проблемы тянутся одна за другой и представляют собой одну цепочку, упирающуюся в неправильно когда-то подобранный тип клапана. Лучшим решением может быть такая конструкция клапана, которая сама обеспечивает защиту, и от налипания, и от заклинивания. Ею оказывается конструкция сегментного клапана. Набегающий поток входит в чашу сегмента и препятствует прямому контакту металла сегмента и истиранию при трении последующих входящих струй зарастающего трубопровода. Бесфланцевое исполнение, полнопроходность, широкий диапазон регулирования для работы в условиях зарастающего трубопровода также выполнимы для сегментного клапана.