Полный текст

Введение Направление развития человечества в настоящее время характеризуется высоким уровнем потребления энергии, в том числе в электрической и тепловой формах ее проявления. При этом высока вероятность реализации прогноза неизбежного роста количества потребляемой электрической и тепловой энергии в будущем. Это связано с ростом населения планеты, развитием транспортной инфраструктуры с приоритетом на все более активное использование электротранспорта. Данная тенденция характерна не только для Российской Федерации, но и является общемировой. Несмотря на то, что тепловую и электрическую энергию возможно генерировать различными способами, в том числе и на основе возобновляемых источников энергии, не все они могут быть применимы на территории РФ. Это обусловлено тем, что только для малой части ее субъектов наблюдается экономически целесообразное число дней в году с высокой солнечной активностью, малой облачностью или большим ветровым напором. Атомная энергетика, несмотря на высокую эффективность, также имеет ряд ограничений и недостатков. Для РФ с учетом ее климатических и географических условий одним из рентабельных источников электрической энергии являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). При этом для ТЭЦ характерно, что выработка электрической и тепловой энергии осуществляется в них одновременно. Все это делает затруднительным или невозможным полный отказ от теплоэлектроцентралей в краткосрочном и среднесрочном горизонте планирования. Для минимизации негативного влияния работы ТЭЦ на окружающую среду и повышения эффективности функционирования ведется активная работа по их модернизации. Фактическая генерация электроэнергии на ТЭЦ осуществляется турбоагрегатами, которые преобразуют потенциальную энергию вырабатываемого водяного пара в кинетическую энергию вращения вала паровой турбины. Выработка водяного пара и тепловой энергии осуществляется в котельных агрегатах (КА), которые состоят из котлов и вспомогательного оборудования, взаимосвязанных между собой системой технологических трубопроводов, а также трубопроводов пара и горячей воды. От надежной работы КА полностью зависят не только эффективность и промышленная безопасность эксплуатации самой ТЭЦ, но также инфраструктурная стабильность жилого фонда и расположенных рядом промышленных предприятий. Из приведенных выше положений следует, что КА являются одним из важнейших технологических и конструкционных узлов теплоэнергетических предприятий [1]. Теория Для обеспечения эффективной и безопасной работы ТЭЦ на них организована система технического обслуживания и ремонта (ТОиР) трубопроводов и аппаратов, включая оборудование, входящее в состав котельных агрегатов. Так как работа КА направлена на генерацию водяного пара с высокой температурой и давлением, то к качеству ТОиР указанного теплотехнического оборудования предъявляются повышенные требования. В соответствии с нормативно-технической документацией, регламентирующей процедуры ТОиР теплотехнического котельного оборудования, этот организационно-технологический процесс содержит большое количество инженерно-технических задач, решаемых как различными службами ТЭЦ, так и внешними экспертными организациями. Практическое решение задач ТОиР котельного оборудования и трубопроводов сопряжено со следующим рядом сложностей, затрудняющих управление этим процессом [1]: · трудоемкость анализа большого количества нормативно-технической, паспортно-технической, эксплуатационной и ремонтной документации по КА; · низкая степень оцифрованности технической документации по трубопроводам и аппаратам КА, что не позволяет автоматизировать обработку находящейся в ней информации; · трудоемкость выполнения большого количества инженерно-технических расчетов; · необходимость формирования большого количества отчетов по результатам ТОиР; · сложность принятия инженерно-технических решений, в том числе интеллектуальных. Все перечисленное выше характерно также для трубчатых печей, сосудов и трубопроводов химических производств [2-4]. Следствием существования сложностей, указанных выше, являются недостатки осуществления процесса ТОиР трубопроводов и оборудования теплоэнергетического комплекса. Среди них следует отметить [5]: · многократное повторение операций поиска, ввода и обработки данных; · многократное и трудоемкое создание формуляров и схем КА; · низкая скорость обработки результатов неразрушающего контроля материала элементов трубопроводов и аппаратов КА; · сложность обмена информацией между субъектами жизненного цикла КА; · низкая скорость формирования технической документации по результатам ТОиР; · сложность систематизации эксплуатационных данных по котельному оборудованию; · сложность выполнения интеллектуальных процедур, включая процедуры формирования программ контроля металла трубопроводов и аппаратов КА. Имеющиеся недостатки приводят к негативным последствиям, которые отрицательно влияют на экономическую эффективность и промышленную безопасность ТЭЦ в целом, а именно: · значительно увеличивается длительность, трудоемкость и стоимость ТОиР трубопроводов и аппаратов, входящих в КА; · низкая достоверность оценки технического состояния КА; · низкое качество формируемой технической документации. Устранить приведенные выше недостатки управления ТОиР можно с помощью специального программного обеспечения (ПО), реализующего принципы интегрированной логистической поддержки (ИЛП). Однако анализ распространенного в РФ программного обеспечения, включая разработанное при участии авторов [2; 3], а также узкоспециального и предназначенного для решения схожих задач применительно к другим типам оборудования [6-16], показал, что оно не может быть использовано напрямую без существенных доработок. Реализация задач ТОиР котельного оборудования с минимальными затратами и изменениями самого ПО может быть осуществлена с помощью доработки ПО «Трубопровод» [2; 3]. Исходя из сказанного, целью настоящей работы являлось создание дополнительного программного обеспечения, или модуля, в составе автоматизированной системы «Трубопровод» [2-4], которое позволит автоматизировать выполнение организационно-технологических процедур ТОиР трубопроводов и аппаратов КА. Данные и методы Исходными данными для осуществления разработки цифровых моделей и алгоритмов, лежащих в основе функционирования программного обеспечения, являлись результаты анализа процесса и операций технического обслуживания и ремонта оборудования теплоэлектроцентралей (котлов, аппаратов, трубопроводов). Моделирование процесса технического обслуживания и ремонта оборудования теплоэлектроцентралей выполнено в соответствии с методология Structured analysis and design technique (SADT) [17]. Формирование цифровых двойников котлов, аппаратов, трубопроводов, входящих в состав теплоэлектроцентралей, выполнено в виде фреймовых моделей [18; 19]. Алгоритмы обработки паспортных характеристик оборудования, анализа результатов осуществления неразрушающего контроля элементов котельного оборудования, планирования процесса технического обслуживания и ремонта выполнены с применением элементов теории искусственного интеллекта [21-23]. Модель Разработка указанного модуля осуществлялась с помощью цифровых моделей трубопроводов и аппаратов котельного оборудования, а также моделей и алгоритмов, рассмотренных ранее в источниках [1-5]. Алгоритмы обработки данных, необходимые для работы программного обеспечения, соответствуют отраслевой нормативно-технической документации в области промышленной безопасности, правил эксплуатации, проведения технического обслуживания и ремонта. Как и автоматизированная система «Трубопровод», модуль разрабатывался с помощью интегрированной среды разработки Microsoft Visual Studio в виде приложения для операционной системы Windows с диалоговым режимом работы. Функционирование модуля осуществляется в соответствии с клиент-серверной архитектурой, имеющей отдельную инстанцию в СУБД Oracle. Доступ пользователей к базе данных осуществляется на основе системы с ролевым управлением доступа (Role Based Access Control). Полученные результаты Основные функции модуля по отношению к трубопроводам и аппаратам КА: · ввод, хранение и обработка паспортных и эксплуатационных данных; · создание и редактирование схем изометрических трубопроводов и отдельных конструкционных элементов котельного оборудования; · учет срока эксплуатации (наработки) функциональных узлов котельного оборудования; · формирование индивидуальных программ контроля металла конструкционных элементов котельного оборудования; · формирование заданий на контроль металла конструкционных элементов котельного оборудования; · ввод и обработка результатов неразрушающего контроля; · формирование технической документации на основе результатов ТОиР. При этом следует отметить, что разработанный программный модуль направлен на информационную поддержку и управление процессом ТОиР, который является дискретным. Хранение паспортно-технических и эксплуатационных сведений о КА предполагается в централизованной базе данных на сервере ТЭЦ. Структура базы данных разрабатывалась с помощью фреймовой модели представления знаний о КА, рассмотренной в источнике [1]. Ниже приведено описание нескольких диалоговых окон, иллюстрирующих примеры использования разработанного модуля для технологического оборудования КА одной из ТЭЦ, расположенной на территории Российской Федерации. В основном диалоговом окне модуля, приведенном на рис. 1, представлены имеющиеся в базе данных: организационная структура ТЭЦ, приведенная в иерархической виде; перечень трубопроводов и аппаратов, входящих в состав теплоэнергетического котельного оборудования; общая информация о ТЭЦ; список формуляров, входящих в состав котла с указанием регистрационного номера и марки. Рис. 1. Основное диалоговое окно модуля (авторские результаты) Рис. 2. Паспортно-техническая информация котла (данные о проекте) (авторские результаты) На рис. 2 приведена одна из вкладок диалогового окна «Редактирование атрибутов котла» для ввода или редактирования паспортных характеристик выбранного КА. Всего это диалоговое окно имеет три вкладки: «Основные параметры», «Ресурс и ТО», «Данные о проекте», что позволяет с достаточной детализацией и подробностью описывать информацию, касающуюся изготовления котла, режимных параметров его работы и сроков планового технического обслуживания. Для создания интерактивных изометрических схем трубопроводов и схем аппаратов котельного оборудования разработаны специализированные графические редакторы. Пример использования одного из них для формирования принципиальной схемы барабана котла приведен на рис. 3. Барабаны входят в состав КА и являются взаимосвязанной совокупностью стандартных элементов, таких как «днище», «обечайка», «фланец», «патрубок». Барабан, представленный на рис. 3, состоит из обечайки с внутренним диаметром 1600 мм и двух эллиптических днищ. Длина обечайки составляет 17760 мм. В обечайку барабана врезаны трубы с внешними диаметрами 159, 108, 60, 40, 20 мм. Представленная в нижней части рис. 3 развертка обечайки барабана формируется автоматически с учетом схемы расположения труб, врезанных в обечайку. Развертка обечайки содержит продольные и поперечные сварные швы. В левой части рис. 3 приведено отдельное диалоговое окно для ввода паспортных параметров обечайки с наименованием «Барабан». Это диалоговое окно содержит различные параметры обечайки, такие как «Дата монтажа», «Марка стали», «Внутренний диаметр», «Толщина стенки», «Длина» и другие. Значение параметра «Минимально допустимая толщина стенки» возможно определить автоматически с помощью созданных алгоритмов, обрабатывающих паспортные данные и технологические параметры работы котла. Рис. 3. Интерактивная схема барабана котла и диалоговое окно параметров обечайки (авторские результаты) Система трубопроводов, объединяющая элементы КА, также входит в его состав. Каждый трубопровод, необходимый для работы КА, является взаимосвязанной совокупностью соответствующих базовых элементов. Среди них можно выделить: «Труба», «Отвод», «Гнутая труба», «Тройник», «Фланец», «Арматура», «Заглушка» и др. Пример использования специализированного графического редактора для формирования изометрической схемы трубопровода котельного оборудования приведен на рис. 4. Этот трубопровод состоит из элементов с внешним диаметром 219 и 159 мм и толщиной стенки 32, 30 и 18 мм. В правой части рис. 4 приведено отдельное диалоговое окно для ввода паспортных параметров одного из элементов типа «Гнутая труба», или «Гиб». Это диалоговое окно содержит различные параметры трубы, такие как «Дата монтажа», «Марка стали», «Наружный диаметр», «Толщина стенки», «Марка трубы» и другие. Во второй вкладке «Участки гиба» формируется последовательность отдельных прямых и гнутых отрезков гнутой трубы, из которых она состоит, вносятся геометрические параметры этих участков. Значение параметра «Минимально допустимая толщина стенки» возможно определить автоматически с помощью созданных алгоритмов, обрабатывающих паспортные данные и технологические параметры работы трубопровода. Рис. 4. Интерактивная изометрическая схема трубопровода котла и диалоговое окно атрибутов отвода (авторские результаты) Одной из важнейших диагностических операций, входящих в состав ТОиР, является измерение толщины стенки элементов аппаратов и трубопроводов, входящих в состав КА. На рис. 5 продемонстрирован пример диалогового окна для ввода результатов замера толщины стенки одного из элементов трубопровода - отвода с углом поворота 45°, внешним диаметром 1420 мм, толщиной стенки 10 мм. Выбран вариант измерения толщины стенки в четырех точках, расположенных в одном из наиболее подверженных износу сечении, а именно - в месте изгиба элемента. Диалоговое окно для ввода результатов замера толщины стенки содержит область предварительного просмотра расположения точек замеров в сечении по отношению ко всей трехмерной модели измеряемого элемента трубопровода. Элементы управления в нижней части диалогового окна позволяют изменить положение выбранной точки замера на элементе. Рис. 5. Диалоговое окно для внесения результатов замеров толщины стенки (авторские результаты) С помощью разработанного модуля также можно формировать различную техническую документацию, в частности документ «Индивидуальная программа контроля» (ИПК), который формируется в соответствии с нормативно-технической документацией и для каждого КА. ИПК содержит перечень аппаратов и трубопроводов, их конструкционных элементов и сварных соединений, для которых необходимо определить вид и объем неразрушающего контроля (ультразвуковой, радиографический, химический). На практике процесс формирования ИПК для всей КА достаточно сложен и трудоемок, включает принятие интеллектуальных решений по отношению ко всем аппаратами и трубопроводам, входящим в состав котельного оборудования. Использование разработанного модуля позволяет автоматизировать этот процесс, что не только сокращает срок формирования указанного документа, но и повышает его качество. Автоматизация формирования ИПК осуществлялась с помощью моделей, описанных в источнике [1]. Ниже приведен пример алгоритма действий при формировании ИПК в автоматизированном режиме с помощью разработанного модуля. Так как содержание ИПК зависит от типа трубопровода или аппарата, то при ее формировании пользователю следует выбрать соответствующий тип котельного оборудования из списка. На рис. 6 выбран тип трубопровода «Паропровод I категории». Далее в процессе формирования ИПК автоматически определяются места проведения неразрушающего контроля на элементах трубопровода или аппарата в зависимости от выбранного пользователем типа котельного оборудования. На рис. 7 приведена изометрическая схема одного из трубопроводов котла с автоматически сформированным перечнем элементов, для которых необходимо провести неразрушающий контроль с указанием методов его проведения. Например, автоматически было определено, что для крутоизогнутых отводов типоразмера 325×38, 273×32 и 219×28 мм следует применить следующие виды неразрушающего контроля: визуальный, ультразвуковой, цветная или магнитопорошковая дефектоскопия. Рис. 6. Диалоговое окно выбора типовой программы контроля: на примере трубопровода (авторские результаты) Рис. 7. Список элементов трубопровода котла для проведения неразрушающего контроля (авторские результаты) Рис. 8. Список элементов схемы трубопровода для проведения неразрушающего контроля (авторские результаты) Сформированная в автоматизированном режиме ИПК с помощью выбора команды может быть преобразована в документ формата MS Word, пример которого приведен на рис. 8. Этот текстовый документ может быть использован для осуществления дальнейшего согласования в соответствующих подразделениях ТЭЦ и передаче исполнителю вместе с интерактивной схемой котельного оборудования для непосредственного проведения работ ТОиР. Заключение Рассмотренная тема исследования относится к области цифровизации производств, которая предполагает создание ПО, направленного на оптимизацию и управление процессами ИЛП оборудования. В настоящей статье рассмотрена достаточная важная составная часть процессов ИЛП - управление ТОиР трубопроводов и аппаратов КА. При этом разработанное ПО можно применять не только для ТОиР котельного оборудования ТЭЦ, но также и для многих других производств, например химических, нефтегазовых, пищевых. Унифицированные элементы конструкции, из которых состоят КА, входят во многие виды других типов оборудования, что позволяет существенно расширить область применения представленного ПО после его соответствующей адаптации. Настоящая работа является развитием более ранних исследований авторов, посвященных автоматизации процессов ТОиР трубопроводных систем и технологического оборудования химических производств. Дальнейшие исследования по данной тематике планируется продолжить в направлении разработки моделей, алгоритмов, цифровых двойников и ПО для автоматизации процессов ТОиР и ИЛП других видов оборудования теплоэнергетических и иных производств. Конечной целью выполнения работ авторы видят создание баз данных унифицированных цифровых двойников оборудования и процессов. Наличие указанной базы данных позволит максимально автоматизировать ИЛП оборудования предприятий различной отраслевой принадлежности и как следствие повысить их экономическую эффективность и промышленную безопасность.

Об авторах

М. А. Ромашкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

В. Г. Власов

УралПромБезопасность

Е. Р. Мошев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 92

PDF (Russian) - 50

Ссылки

• Ссылки не определены.