6. Усунення несправностей

Як тільки виявлений несправний стан і ідентифікована конкретна несправність, то необхідно розпочати дії з її усунення. Корегувальний вплив може мати різні форми. Можливо, що для відновлення нормальних умов роботи найбільш простим засобом буде регулювання. Може бути й так, що місце несправності точно встановлене і замінюється частина устаткування (підсистема). Перший з вказаних шляхів впливу має багато спільного з поняттям „адаптивне керування”. Не обов'язково шукати реальну причину появи несправності, тому що до несправності може привести взаємозв'язок різних явищ. Коли виявлена несправність устаткування або з’являється несправність приладів, то для скорочення простою обладнання часто можна провести непрямі вимірювання. Ці вимірювання включають непрямі обчислення відсутніх величин, наприклад, за загальним енергетичним і масовим балансом. Непрямі вимірювання фактично еквівалентні забезпеченню системи резервними приладами, але без залучення додаткових витрат (за винятком витрат на ЕОМ).

Якщо оператор виявляє відхилення від нормальної роботи устаткування або приладів, то він, зазвичай, переводить регулюючу систему процесу на ручне керування. Аналогічно, при використанні ЕОМ загальна контролюча програма (супервізор) може попередити видачу регулюючого впливу, заснованого на неправильній інформації, припиняючи потік інформації в тих частинах системи, де є несправності, і, направляючи його через справні частини системи. Цю можливість нескладно закласти в програму ЕОМ і в такий спосіб забезпечити працездатність установки навіть всупереч можливих несправностей або несправностей окремих приладів чи пристроїв. У будь-якому випадку, коли виявлена несправність, то повинно бути встановлено, чи є це наслідком несправності устаткування або тільки несправності вимірювальних приладів. Крім того, повинно бути прийняте вірогідне рішення, чи дійсно це є несправністю або тільки тимчасовим збоєм в функціонуванні устаткування чи приладів. При несправності устаткування може бути необхідною швидка зупинка заводу, тоді як у випадку виходу з ладу контрольно-вимірювальних приладів завод може продовжувати працювати, але оператори попереджуються про виниклі проблеми.

7. Діагностика хімічних реакторів на основі аналізу гідродинамічних шумів

Швидкі темпи розвитку хімічної технології ставлять задачу забезпечити експлуацію надійності основного і допоміжного обладнання, так як відмова його елементів може призвести до припинення випуску продукції або до виникнення аварійних ситуацій. У системі заходів, направлених на вирішення цієї задачі, важливе значення має розробка ефективних методів і засобів технічної діагностики.

Більшість задач технічної діагностики хімічного обладнання можна вирішити шляхом акустичного та вібраційного контролю параметрів процесу. Найбільший розвиток у наш час отримав метод вібродіагностичної діагностики обладнання з обертаючими елементами. До нього відносяться турбомашини, компресори, насоси, двигуни, при роботі яких в основному контролюються допустимі рівні вібрації.

В той же час існує клас об’єктів хімічної технології, робота яких при відсутності механічних елементів супроводжується генерацією шуму і вібрації гідродинамічного походження, що можна використовувати для ідентифікаціі основних типів порушень технологічних процесів.

Цілеспрямованість використання віброакустичних методів діагностики таких об'єктів пояснюється відсутністю можливості використовувати традиційні засоби вимірювання температури і швидкості газового потоку внаслідок важких умов протікання технологічних процесів.

Перевагами віброакустичних методів є простота і надійність датчиків, встановлених на зовнішній оболонці реактора, а також безінерційність параметрів.

При створенні систем діагностики для широкого класу хімічних реакторів був проведений комплекс досліджень, який включає у свою розробку математичні моделі об'єктів у їх нормальному стані і стані відмови, інформаційні джерела шуму і вібрації, фізичне моделювання об'єктів діагностики з імітацією основних типів порушень, експериментальні дослідження віброакустичних характеристик промислових об'єктів, а також розробку технічних засобів для обробки сигналів і алгоритмів діагностики.

Основними порушеннями, які діагностуються в досліджуваних реакторах, є утворення наростів з непроплавленого матеріалу в області вхідних пальникових пристроїв (плавильні циклонні реактори), зміна геометричних характеристик відцентрованих форсунок і витрата через них сірки (циклонні печі для спалювання рідкої сірки), а також закипання розплаву і порушення температурного режиму при завантаженні холодних присадок (кисневий конвертер для виробництва чорнової міді). Для розпізнавання процесу утворення наростів в області вхідних пальникових пристроїв циклонного реактора запропоновано використовувати явище зміни вібраційних характеристик циліндричної оболонки реактора в залежності від приєднаної маси (маси наростів) і місця їх зосередження. Для опису циклонних реакторів і прогнозування зміни вібраційних харектеристик використовують математичну модель анізотропної неоднорідної оболонки з врахуванням деформацій поперечних зсувів, що дозволяє оцінити власні частоти і форми коливань оболонки.

Діагностику порушень, які виникають у відцентровій форсунці для розпилювання рідкої сірки, здійснюють, використовуючи інформаційні акустичні властивості закрученого потоку. Порушення „зміна витрат сірки через форсунку” діагностують за акустичним ефектом, пов’язаному з прецесуючим вихровим ядром, який супроводжує роботу вихрових генераторів, пальників і камер при високій степені закрутки потоку.

Витрату рідини через форсунку знаходять із функціональної залежності критерія Струхаля Sh від інтенсивності закрутки потоку S. Критерій Струхаля для відцентрової форсунки визначається частотою коливань закрученого потоку f, діаметром вихідного сопла d і середньорозхідною швидкістю рідини v:

(249)

Інтенсивність закрутки потоку:

(250)

де ε – коефіцієнт збереження швидкості; Г – циркуляція вхідної швидкості; R – радіус вхідного сопла; Q_Р – витрата рідини через форсунку.

Таким чином, зміну витрати рідини через форсунку можна контролювати по зміні частоти процесуючого вихрового ядра.

Другий тип порушень роботи форсунки пов’язаний з діагностуванням на основі аналізу власних коливань соплового наконечника, які виникають при обтіканні закрученим потоком його країв. При цьому частота f відносних коливань соплового наконечника однозначно пов’язана з висотою краю L, модулем Юнга E і густиною матеріала форсунки ρ:

(251)

Для кисневого конвертера у зв'язку з відсутністю можливості теоретичного опису генерації звуку кисневого струменю з фурми використана експертна оцінка можливих порушень за зовнішніми ознаками процесу конвертування: кольором і інтенсивність світіння газового потоку над горловиною конвертера, інтенсивністю газовиділення, а тaкож кольором і формою бризок розплаву.

Запропоновані способи визначення порушень на основі аналізу гідродинамічних шумів були перевірені на промисловому обладнанні. Розташування п'єзоакселерометрів в різних хімічних реакторах наведене на рис. 92.

Для діагностики роботи плавильного циклонного реактора чотири п’єзоакселерометра встановлені на його зовнішній оболонці в області кожного пальникового пристрою; аеродинамічний шум контролюється п’єзоакселерометром, встановленим на цапфі конвертера; циклонна пічка для спалювання рідкої сірки має три п’єзоакселерометра, розміщених на зовнішній поверхні фланців відцентрованих форсунок, і п’єзоакселерометр, встановлений на корпусі печі і призначений для аналізу загального шуму.

Приклад реєстрації процесу розвитку наростів по спектральним характеристикам вібрації оболонки циклонного реактора показано на рис. 93. Нормальному стану пальникового пристрою відповідає спектр 1 (рис. 93, а); при розвитку процесу відбувається різке зниження рівня вібрації корпуса реактора в місці утворення приєднаної маси (спектр 2). У випадку своєчасного виявлення початку розвитку процесу на пальниковому пристрої існує можливість відновити нормальні умови його функціонування. Для цього досить дещо збільшити тепловий потік (витрати палива та кисню) на пальник з наростом (рис. 93, б). Для визначення порушень роботи форсунок циклонної печі можна застосовувати аналіз віброакустичних сигналів. Самовільну зміну витрат рідкої сірки через форсунку можна діагностувати по частотному зсуву спектральних характеристик сигналу, який генерується прецесуючим закрученим потоком. Так, для форсунок з діаметром вихідного сопла 8 мм інформаційний діапазон частот становить 1700-2500 Гц (рис. 94, а).

Рис. 92. Положення п’єзоакселерометрів (1-9) у циклонному реакторі для термохімічної обробки (а), кисневому конвентері для виробництва чорнової міді (б) і циклонної печі для спалювання рідкої сірки (в)

Збільшення діаметру вихідного сопла форсунки в процесі її експлуатації реєструють за зсувом частоти власних коливань кромки сопла в ультразвуковому діапазоні (рис. 94, б). При цьому зміна частоти такого інформаційного джерела пов'язана тільки зі зміною діаметру вихідного сопла і не залежить від витрати рідини через форсунку.

Рис. 93. Зміна спектральних характеристик реактора при зникненні наростів з використанням віброакустичного сигналу

Рис. 94. Спектральні характеристики при змінах витрати рідкої сірки через форсунку (а), і діаметра вихідного отвору форсунки (б): 1 – Q_Р = 0,25 ^. 10^-3;

2 – Q_Р = 0,27 ^. 10^-3 м³/с; 3 – Q_Р = 0,3 ^. 10^-3 м³/с; I’ – d = 6 мм; 3 – d’ = 10 мм

Для діагностики основних типів порушень конвертерного процесу отримання чорнової міді виділене основне інформаційне джерело – аеродинамічний шум високошвидкісного струменю кисню, спектр якого зображений на рис. 95. Аналіз спектральних характеристик цього джерела при зміні умов його взаємодії з розплавом складає основу діагностики. В простому випадку частину можна отримати шляхом аналізу зміни інтегрального рівня вібрації конвертера в діапазоні частот аеродинамічного шуму фурми (рис. 95, б). Поява пінистого шлаку і викидів викликає різке зниження рівня вібрації; зміщення кривої вібраціі до великих значень відповідає погано продуваючому розплаву; виникнення ситуації, пов'язаної з подачею в конвертер тугоплавкої холодної металозагрузки та її поганим розчиненням, діагностується за різкими змінами швидкості зниження інтегрального рівня вібрації.

Рис. 95. Спектор вібрації конвертера, викликаного електродинамічним шумом фурми (а) і зміна рівня вібрації конвертера в ході продувки (б)

Отримані результати аналізу гідродинамічних шумів різних реакторів використані при розробці інформаційно-діагностичного комплексу, який включає в себе необхідний набір аналогових технічних засобів (попередні і нормуючі підсилювачі, полосові фільтри, детектори ефективних значень, перетворювачі „напруга-струм” і „частота-струм”), а також спектральний аналіз сигналів і класифікацію стану об’єкта діагностики.