Материалы вебинара 26.04.2024
Прежде чем приступить к изучению текущей темы, рекомендую ознакомиться с материалами предыдущих статей.
Методы анализа операционной эффективности ХТС. Часть 1.
Методы анализа операционной эффективности ХТС. Часть 2.
Методы анализа операционной эффективности ХТС. Часть 3.
Анализ проблем работоспособности, операционной эффективности и технической устойчивости
Основной задачей повышения операционной эффективности и управления операционными рисками является выявление условий процессов, включая структуру химико-технологических систем и состояние оборудования, которые препятствуют достижению проектных целей. Такой анализ позволяет улучшить качество процессов и продукции, снизить их вариативность, установить критерии оценки различных аспектов работы ХТС, а также уменьшить структурную сложность и повысить общую устойчивость системы.
Анализ надежности помогает оценить частоту отказов, продолжительность простоев и эффективность системы не только с точки зрения устойчивости и надёжности отдельных устройств, но и благодаря структуре системы в целом. Проведение такого анализа позволяет нам определить, какие изменения в структуре необходимы для уменьшения количества отказов и продолжительности простоев, связанных с восстановлением системы, а также для увеличения времени, доступного для производства целевого продукта.
Для решения этих задач мы предлагаем использовать несколько инструментов. В их числе — функциональный HAZOP, метод исследования аппаратной достаточности и избыточности. В этой модификации HAZOP все узлы рассматриваются как набор функций, предусмотренных проектом. Каждое устройство представляет собой совокупность функций. На первом этапе анализа проводится оценка наличия функций и противоположных функций в узлах. Если в системе одновременно присутствуют функция и антифункция, это указывает на возможности для изменений.
Например, очистка сточных вод. Сточные воды поступают в усреднитель, оснащённый мешалкой, которая предотвращает разделение твёрдой и жидкой фаз. Взвешенные мелкие частицы, которые могли бы осесть, удерживаются в движении. Следующим после усреднителя элементом является установка механической очистки, обычно с использованием сит, для отделения твёрдой фазы от жидкой (см. рисунок).
На каждую операцию, как на предотвращение осаждения, так и на само разделение, расходуется энергия и ресурсы (материальные или финансовые, связанные с созданием системы). Это поднимает вопрос: можем ли мы оптимизировать систему, сократив или изменив функции? Например, если разместить разделитель на входе, необходимость в предотвращении осаждения отпадёт. Или можно применить другие методы, такие как осаждение в сочетании с усреднением фаз.
Такой анализ позволяет на начальном этапе определить, какие функции являются избыточными или недостающими. Он даёт направление для изменений в архитектуре и функциональности системы, что способствует её оптимизации.
На следующем этапе проводится моделирование изменений структуры, что включает в себя отключение функционала. Мы предполагаем, что произойдёт полный функциональный отказ, и анализируем, как это повлияет на следующий узел. Всё рассматривается с учётом достижения технологической цели.
На основе этого анализа мы можем упростить систему и снизить затраты на её создание. Первый этап построения системы завершён, и теперь у нас есть схема с необходимым и достаточным набором функций и устройств. Перед нами стоят несколько важных задач:
- Определить, как долго система будет работать и как часто будут возникать простои. Это задача механической целостности и вопрос надёжности.
- Установить вероятность того, что система будет стабильно выпускать продукцию, соответствующую требованиям. Это задача технологической надёжности.
Первая задача решается традиционными методами анализа надёжности. Вторая задача более сложная, однако мы предлагаем использовать ряд последовательных методов для её решения.
Мы разработали новый метод, аналогичный HAZOP, который мы назвали HAZOP-OR или HAZOP по операционным рискам. В рамках этого метода проводится идентификация операционных рисков, определяются сценарии процессов, которые могут привести к недопустимому отклонению от целевой, прежде всего технологической, цели. Этот процесс включает в себя структурированный критический анализ операционной деятельности с использованием модели ХТС.
Где А, В, С – это ключевые функциональные устройства, то есть, где, происходит физическое и химическое превращение. Все остальные между ними – это интерфейсные устройства Y-1, Y-2.
Исследование начинается с анализа последнего элемента, на выходе которого получается готовый продукт. Этот продукт обладает набором характеристик, которые удовлетворяют как нас, так и потребителей: Х1, Х2, ..., Хn.
В ходе анализа мы моделируем отклонения этих характеристик за пределы допустимых значений. В пределах установленных границ продукт считается приемлемым с точки зрения потребителя, но за их пределами он становится неприемлемым по качеству.
Моделируя такие отклонения, мы выясняем, какие условия должны возникнуть в ключевом функциональном устройстве, чтобы появился некачественный продукт. Далее мы исследуем, какие условия может создать такое устройство, находящееся в интерфейсной части, и соседствующее с ним функциональное устройство (КФУ). (см. рисунок).
Процесс моделирования начинается с определения отклонений от заданной цели и условий, влияющих на эти отклонения. Анализируются устройства до ближайшего узлового элемента, включая его, которые могут повлиять на эти условия, и выявляются состояния устройств, создающих эти условия.
Таким образом, мы рассматриваем как отказы устройств, так и отклонения в их нормальном функционировании. Например, если устройство вызывает повышение температуры из-за сбоя, важно определить, является ли оно причиной отклонений или его нестабильность связана с другими факторами.
На следующем этапе исследования технологической устойчивости создаётся дерево отказов системы. Для оценки влияния структуры системы устанавливается равная вероятность инициирующих событий, после чего проводится численный анализ полного дерева отказов. Это позволяет выявить последовательности событий, которые с наибольшей вероятностью могут привести к недопустимым состояниям. Именно эти сценарии в первую очередь определяют возможные отказы системы.
Это позволяет:
- Определить объекты, требующие корректирующих действий, — на начальных или конечных этапах, в зависимости от технических возможностей.
- Ранжировать виды несоответствий по вероятности их возникновения.
Дерево отказов предоставляет возможность:
- Определить структуры, оказывающие наибольшее влияние на достижение технологических целей, принимая во внимание равную вероятность всех инициирующих событий.
- Выявить устройства и инициирующие события, которые потенциально могут нарушить технологическую устойчивость, используя реальные данные о сбоях.
- Определить устройства, обеспечивающие технологическую целостность системы, с помощью структурного и связного анализа, сопоставляя с предыдущими результатами.
На основе данных анализа принимаются меры по снижению вероятности и последствий наиболее значимых инцидентов, что способствует совершенствованию системы и повышению её технологической надёжности.
Анализ чувствительности операционных целей к технологическим параметрам может проводиться на основе исторических данных. Технологические тренды позволяют использовать статистические модели для понимания влияния различных параметров на целевые результаты. Такой анализ помогает определить, какие регулируемые параметры наиболее сильно влияют на результаты и другие показатели процесса, что позволяет расставить приоритеты в управлении.
Практика показывает, что операторам не всегда удаётся выбрать оптимальный сценарий управления технологическим устройством. Это объясняется сложностью устройства, зависящей от множества параметров. Человеку крайне сложно анализировать несколько параметров одновременно. Статистические методы анализа как в режиме реального времени, так и постфактум позволяют выделить ключевые параметры для управления.
При отсутствии исторических данных и проектировании новой системы обычно имеются модели управления, будь то для всей системы в целом или для отдельных фрагментов. Проведение анализа чувствительности на основе таких имитационных моделей относительно просто.
После этого можно переходить к оценке параметров технологической надёжности, сравнивая различные проекты по этим параметрам.
Оценка технологической надёжности при разработке промышленных ХТС зачастую не проводится. Обычно при разработке конструкции ХТС второстепенные цели могут занимать центральное место, вытесняя ключевые. Структура ХТС часто наследует исследовательскую схему с её недостатками и ограничениями, которые усиливаются вспомогательными технологическими блоками, связанными с рекуперацией, разделением и очисткой, что серьёзно усложняет и делает систему неконтролируемой.
Есть надежда, что развитие методов анализа операционных рисков приведёт к пониманию необходимости уделять больше внимания ранним этапам разработки ХТС. Все упомянутые методы были проверены в рамках коммерческих контрактов или исследовательских работ на основе реальных проектов. На этой ноте я хотел бы завершить своё выступление.