СПОСОБ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВКИ ПРОМЫШЛЕННОГО МАСШТАБА, А ТАКЖЕ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ ПРОМЫШЛЕННОГО МАСШТАБА
METHOD OF OPERATING INDUSTRIAL PLANT, AND INDUSTRIAL PLANT CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к способу для эксплуатации установки промышленного масштаба, в частности энергетической установки, при котором некоторое число рабочих параметров установки, характерных для соответствующего рабочего состояния технической установки, и, соответственно, выбранное для некоторого числа выбранных компонентов технической установки некоторое число рабочих параметров компонентов, релевантных для соответствующих компонентов, контролируется и сохраняется в запоминающем устройстве, причем для упомянутых компонентов или каждого выбранного компонента, по потребности, на основе сохраненных рабочих параметров установки и/или сохраненных соответствующих рабочих параметров компонентов определяется показатель усталости, характерный для текущего состояния усталости соответствующего компонента. Оно относится также к системе управления для установки промышленного масштаба, в частности энергетической установки, которая, в отношении ее компонентов, как, например, запоминающих устройств, блоков оценки и т.п., выполнена с возможностью определения значений усталости для компонентов установки и, тем самым, с возможностью осуществления вышеназванного способа.
В промышленности встречаются в самых различных отраслях технические установки или установки промышленного масштаба, которые применяются, например, для изготовления определенных изделий, для обработки или обогащения сырья, для автоматизированного выполнения прежде выполнявшихся вручную операций или для выработки, в особенности, электроэнергии. Готовые промышленные установки, как, например, энергетические установки, состоят в общем случае из множества компонентов установки, которые реализуют отдельные функции соответствующей промышленной установки. Многие из этих компонентов установки подвергаются во время их срока службы механическому или обусловленному производством износу. В течение срока службы технической установки износ компонентов установки уже во время расчета установки представляет собой значительный аспект, так как при превышении границы усталости функционирование технической установки или, по меньшей мере, соответствующего компонента больше не гарантируется.
В частности, в энергетических установках детали или компоненты установки, такие как котлы, парогенераторы, аккумуляторы, трубопроводы, подвергаются воздействию изменяющихся механических напряжений на основе изменений их параметров окружающей среды, таких, как, например, давление и температура. Эти переменные нагрузки, также упоминаемые как нагрузочный цикл энергетической установки, которые обычно вызываются изменением состояния энергетической установки, как, например, повышением или понижением мощности, как правило, приводят к потенциально значительному нагружению материалов соответствующего компонента и к так называемой усталости компонента, которая выше определенной границы и также может привести к отказу компонента. В частности, за счет подобной усталости эксплуатационный срок службы или максимально допустимый срок эксплуатации соответствующих компонентов энергетической установки или компонентов промышленной установки ограничен. По этим причинам усталость деталей для выбранных компонентов установки при планировании установки промышленного масштаба, а также при планировании циклов ремонта и технического обслуживания учитывается, чтобы, при соответствующих обстоятельствах, иметь возможность своевременной замены соответствующего компонента перед отказом детали.
Для соответствующего учета подобных явлений усталости при планировании установок обычно во время конструирования или расчета компонентов энергетической установки для гарантирования минимального срока службы соответствующих компонентов или деталей предусматривается предварительно определенная, состоящая из ограниченного количества типов нагрузочных циклов совокупность нагрузок, которая, например, включает в себя заданное количество горячих запусков, теплых запусков и холодных запусков с соответственно заданными режимами работы энергетической установки.
Для этих стандартизованных типов нагрузочных циклов затем на каждый тип нагрузочного цикла определяются соответствующие величины усталости в соответствующих компонентах, причем обычно используются сравнительно затратные способы вычислений, как, например, вычисления конечных элементов. С учетом получаемых при этом результатов осуществляется расчет соответствующего компонента установки, как правило, таким образом, чтобы общая усталость, определенная из отдельных величин усталости и количества предусмотренных нагрузочных циклов на тип, соответствующей детали или соответствующего компонента не превышала заданного предельного значения усталости, еще рассматриваемой как допустимая.
Однако при подобном учете усталости материалов в отдельных деталях или компонентах фактическое поведение компонентов может прогнозироваться в недостаточной степени. В частности, обычно реальный режим работы установки промышленного масштаба или, в особенности, энергетической установки является более гибким и вариабельным, чем принято при расчете, так как режим работы энергетической установки должен согласовываться, например, с текущими требованиями нагрузки и т.п. Поэтому, чтобы иметь возможность соответствующим образом учитывать фактически проявляющуюся усталость при планировании технического обслуживания и осмотра энергетических установок, в энергетических установках и других установках промышленного масштаба обычно контролируется соответствующая усталость деталей для выбранных компонентов установки. Так как при этом усталость деталей, как правило, невозможно измерять непосредственно, обычно измеряются и контролируются соответствующие показатели давления и температуры для характеристики соответствующих условий окружающей среды соответствующего компонента, из которых затем рассчитываются переменные напряжения, обусловленные изменениями давления и температуры, в соответствующем компоненте. Получаемые при этом фактические значения для напряжений в компонентах затем сводятся в циклы переменной нагрузки, причем высота и количество соответствующих нагрузочных циклов сравниваются с известными предельными значениями. В качестве результата, в итоге, определяется так называемый показатель усталости, являющийся показателем, характеризующим усталость соответствующей детали или соответствующего компонента, который может специфицировать, например, процентную долю срока службы компонента. С помощью подобных концепций можно для выбранных компонентов энергетической установки или компонентов промышленной установки определить усталость, проявляющуюся на протяжении их полного использования в работе, и учитывать ее при планировании технического обслуживания и осмотра. Соответствующие принципы установлены, например, в документе DIN EN 12952-4:2001-10 «Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten, Teil 4: Betriebsbegleitende Berechnung der Lebensdauererwartung, deutsche Fassung EN 12952-4:2000».
Во всяком случае при эксплуатации подобных установок промышленного масштаба, в частности энергетических установок, из соображений безопасности следует, с одной стороны, обращать внимание на то, что техническое обслуживание и, при необходимости, замена изношенных или подверженных усталости компонентов или деталей в каждом случае должны предприниматься своевременно перед выходом из строя или отказом соответствующего компонента. Но, с другой стороны, существует стремление подобные вмешательства, связанные с техническим обслуживанием и ремонтом в установке промышленного масштаба, во избежание излишних времен простоя и для особенно экономичного способа эксплуатации, предпринимать особенно в соответствии с потребностями так, чтобы детали действительно заменялись только в том случае, когда они имеют еще сравнительно малый остаточный срок службы. К тому же для особенно эффективной и экономичной эксплуатации установки режим работы соответствующей установки выбирается таким ресурсосберегающим образом, что износ и усталость компонентов и деталей поддерживаются по возможности незначительными.
Поэтому в основе изобретения лежит задача таким образом усовершенствовать способ для эксплуатации установки промышленного масштаба вышеназванного типа, при котором определяются показатели усталости, характерные для выбранных компонентов установки, чтобы, при сохранении заданных стандартов надежности, обеспечивался особенно длительный срок службы отдельных деталей или компонентов, и обеспечивалось особенно отвечающее потребностям планирование осмотра и технического обслуживания. Кроме того, для осуществления этого способа должна быть предложена особенно подходящая система управления для установки промышленного масштаба.
В отношении способа эта задача в соответствии с изобретением решается тем, что, исходя из показателя усталости, характерного для текущего состояния усталости для компонентов или каждого выбранного компонента, на основе параметров управления, характерных для предусмотренной смены состояний, определяется соответствующее прогнозное значение усталости.
При этом изобретение исходит из того, что для особенно ресурсосберегающего и, тем самым, благоприятствующего сроку службы используемых компонентов и деталей режима работы установки промышленного масштаба или энергетической установки, должны привлекаться определенные показатели усталости, помимо чистой диагностики деталей, действующие для режима работы установки. Для этого необходимо, исходя из определенного фактического значения для текущей усталости соответствующего компонента или соответствующей детали, по типу экстраполяции с учетом предусмотренного режима работы установки устанавливать прогнозное значение для усталости детали, которое, например, может использоваться как вспомогательный параметр для определения потребности в проведении ремонта или технического обслуживания. При этом подобная смена состояний является, в частности, сменой нагрузки энергетической установки и может, в частности, являться процессом запуска или приведения в действие энергетической установки.
В качестве рабочих параметров, которые должны учитываться для определения соответствующих показателей усталости, должны при этом предусматриваться, предпочтительным образом, с одной стороны, специфические для компонентов рабочие параметры или рабочие параметры компонентов, которые предпочтительным образом включают в себя показатели для давления окружающей среды, температуры окружающей среды и/или влажности окружающей среды соответствующего компонента или соответствующей детали. В качестве альтернативы или дополнительно, предпочтительным образом для состояния установки промышленного масштаба или энергетической установки определяются или оцениваются в целом релевантные или характеристические рабочие параметры или рабочие параметры установки, которые предпочтительным образом включают в себя показатели для состояния включения установки и/или номинальной мощности. Из совокупности этих параметров могут затем определяться значения давления и температуры, которые локально действуют на соответствующий компонент или соответствующую деталь и которые, в конечном счете, указывают на механические напряжения и, тем самым, вытекающую из этого усталость детали.
Чтобы при этом иметь возможность определять особенно надежные показатели для усталости деталей, в дальнейшем предпочтительном выполнении при определении соответствующего показателя усталости и соответствующего прогнозируемого значения усталости для соответствующего компонента принимаются во внимание характеристические параметры компонента. При этом в качестве параметров компонента предпочтительным образом в особенности принимаются во внимание данные материала, геометрические размеры и/или являющиеся решающими для расчета усталости места измерений давления и температуры в соответствующем компоненте.
Ввиду сложности приводящих к усталости основополагающих процессов обычно при обращении к предоставляемым ресурсам замкнутый расчет точных показателей или параметров невозможен или непрактичен. Для того чтобы и при обращении лишь к ограниченным вычислительным возможностям иметь возможность предоставлять особенно надежные показатели или параметры, предпочтительным образом для определения соответствующих прогнозных значений усталости учитываются характеристики трендов для значений температуры и/или давления внутри соответствующего компонента. При этом характеристики трендов предпочтительным образом определяются из термодинамического моделирования установки, причем при необходимости может осуществляться обращение к сохраненным опытным знаниям или подготовленным опытным значениям.
Для того чтобы затраты на определение и обработку поддерживать особенно низкими и, тем самым, особенно эффективным образом облегчать диагностику установки и управление ею, в дополнительном или альтернативном предпочтительном выполнении целенаправленно принимается в расчет знание о том, что обусловленный износом или обусловленный усталостью отказ компонентов или деталей, как правило, сначала и исключительно проявляется на компонентах, наиболее затронутых износом или усталостью. Учет состояния износа или усталости соответствующего компонента при планировании технического обслуживания или ремонта может, таким образом, предприниматься особенно действенным образом за счет того, что соответствующие оценки концентрируются на компонентах, которые, как ожидается, в наибольшей степени затронуты усталостью или износом. Чтобы обеспечить возможность этого, предпочтительным образом в качестве так называемого «ведущего компонента» идентифицируется для первоочередного учета при прогнозировании установки тот компонент или та деталь, которая имеет наибольшее определенное прогнозное значение усталости из всех оцениваемых компонентов. Предпочтительным образом это прогнозное значение усталости ведущего компонента применяется в качестве критерия для ввода мероприятий по ремонту и техническому обслуживанию.
В особенно предпочтительном выполнении целенаправленная оценка состояний усталости деталей или компонентов привлекается не только для соответствующего потребностям планирования ремонта или технического обслуживания, но и для оптимизации режима работы установки промышленного масштаба в смысле особенно ресурсосберегающего и удлиняющего срок службы режима работы. Для этого предпочтительным образом, исходя из текущего состояния установки по типу планирования сценария, анализируются различные сценарии смены состояний или изменения нагрузки, при которых установка могла бы эксплуатироваться в ближайшем будущем. При этом, исходя из текущего фактического состояния энергетической установки, может, например, сравнительно быстрое, кратковременное повышение мощности сопоставляться со сравнительно медленно приложенным, постепенным повышением мощности. Для такой альтернативно предусмотренной смены состояний затем предпочтительным образом определяются прогнозные значения усталости и сопоставляются друг с другом, причем на основе этого сравнения выбирается та из возможных смен состояний или процессов изменения нагрузки, которая ведет к наименьшей нагрузке установки, отличающейся наименьшим прогнозным значением усталости. Сравнение между различными возможными сменами состояний или изменениями нагрузки может при этом осуществляться на основе прогнозного значения усталости соответствующего ведущего компонента или на основе блока прогнозных значений усталости для множества соответствующих компонентов.
Относительно системы управления для установки промышленного масштаба, в частности энергетической установки, с запоминающим устройством, в котором сохранено некоторое число рабочих параметров установки, характерных для соответствующего рабочего состояния технической установки, и некоторое число рабочих параметров компонентов, релевантных для числа выбранных компонентов технической установки, и которое со стороны данных связано с блоком оценки, который выполнен с возможностью определения, по потребности, соответствующего показателя усталости, характерного для текущего состояния усталости компонентов или каждого выбранного компонента на основе сохраненных рабочих параметров установки и/или сохраненных соответствующих рабочих параметров компонентов, указанная задача решается тем, что блок оценки выполнен с возможностью определения для компонентов или каждого выбранного компонента соответствующего прогнозного значения усталости, исходя из показателя усталости, характерного для текущего состояния усталости, основываясь на параметрах управления, характерных для предусматриваемой смены состояний.
При этом для особенно надежной и точной оценки в запоминающем устройстве сохранена термодинамическая модель установки промышленного масштаба или энергетической установки, на основе которой возможно особенно надежное оценивание нагрузок, обусловленных температурой и давлением в отдельных компонентах или деталях.
Обеспечиваемые изобретением преимущества состоят, в особенности, в том, что за счет привлечения анализа усталости для предоставления соответствующих прогнозных значений становится возможным и особенно благоприятным соответствующее потребностям планирование технического обслуживания и осмотра установки промышленного масштаба. Кроме того, за счет целенаправленной оценки составляющих усталости или ожидаемых составляющих усталости в отдельных компонентах или деталях установки промышленного масштаба может выбираться та смена нагрузки или смена состояний, которая в отношении внешним образом заданных краевых условий обеспечивает возможность глобально рассматриваемого особенно ресурсосберегающего режима работы установки.
Пример выполнения изобретения подробнее поясняется со ссылкой на чертеж, на котором схематично представлена система управления для установки промышленного масштаба, в частности энергетической установки.
При этом схематично представленная система управления 1 содержит множество детально не показанных модулей или компонентов, которые широко распространены и являются обычными для использования в установках промышленного масштаба и, в частности, в энергетических установках. В частности, энергетическая установка снабжена множеством мест измерений или сенсоров, посредством которых в процессе работы контролируются параметры компонентов и деталей и, при необходимости, архивируются. Среди этих сенсоров и мест измерений содержится множество сенсоров и мест измерений, посредством которых в процессе работы проводится контроль усталости отдельных компонентов или деталей энергетической установки.
Для этого система 1 управления, наряду с другими компонентами, содержит запоминающее устройство 2, которое целенаправленно выполнено для архивирования и предоставления измеренных значений и параметров, определенных в рамках контроля усталости. В частности, в запоминающем устройстве 2 сохранены параметры компонентов, выбранных для контроля усталости в качестве особенно релевантных компонентов и деталей, причем, в частности, каждой релевантной детали или каждому релевантному компоненту поставлен в соответствие собственный блок параметров, в котором содержатся данные материалов, геометрические размеры и являющиеся решающими для расчета усталости соответствующих компонентов места измерений давления и температуры или данные позиционирования. Кроме того, в запоминающем устройстве 2, по потребности, сохраняются контролируемые измеренные значения, причем, с одной стороны, сохраняется некоторое число рабочих параметров установки, характерных для рабочего состояния энергетической установки, как, например, показатели для состояния нагрузки, номинальной нагрузки и т.п. Кроме того, для выбранных компонентов энергетической установки также еще сохранены релевантные рабочие параметры компонентов, причем по типу определения измеренных значений сохраняются непрерывные условия окружающей среды, как, например, давление воздуха, температура воздуха, влажность воздуха для контролируемых деталей, а также их температуры и давления. Характерные для этого измеренные значения М определяются в блоке 4 определения измеренных значений, который, со своей стороны, со стороны данных соединен с соответствующими сенсорами, и, при необходимости, сохраняются в запоминающем устройстве 2.
Кроме того, блок 4 определения измеренных значений передает определенные данные также в блок 6 оценки, в котором, при необходимости, определяются показатели усталости для соответствующих деталей или компонентов. Однако, блок 6 оценки выполнен не только для того, чтобы определять текущее фактическое состояние для соответствующей усталости детали, но, кроме того, блок 6 оценки определяет дополнительно для компонентов или каждого выбранного компонента еще соответствующее прогнозное значение усталости, которое на основе предусматриваемой смены состояний, как, например, процесса изменения нагрузки и т.п., исходя из текущего состояния усталости соответствующего компонента, описывает его ожидаемое состояние усталости после проведения соответствующей смены состояний.
Чтобы иметь возможность провести подобный прогноз для ожидаемой усталости деталей или каждой детали, система 1 управления содержит блок 8 ввода, через который могут вводиться целевые параметры Е, характерные для соответственно анализируемой смены состояний. В частности, при анализе изменения нагрузки при этом вводятся подлежащая установке мощность энергетической установки и временной интервал, заданный для достижения предусмотренного уровня мощности.
Блок 4 определения измеренных значений и блок 8 ввода со стороны данных соединены с первым модулем 10 моделирования блока 6 оценки. В первом модуле 10 моделирования из измеренных условий окружающей среды и рабочих параметров установки, а также из введенных в блок 8 ввода целевых параметров для подлежащей оценке смены состояний или нагрузки сначала предварительно рассчитывается требуемая для достижения соответствующих целевых параметров программа использования для энергетической установки и характеристика тренда релевантных параметров процесса, как, например, давлений, температур и расходов. При этом учитывается термодинамическое моделирование и/или термодинамическая модель энергетической установки, причем термодинамическая модель сохранена в первом модуле 10 моделирования. Термодинамическое моделирование в первом модуле 10 моделирования вырабатывает в качестве результата, наряду с другими параметрами, в частности характеристики тренда давлений и температур среды в контролируемых деталях или компонентах.
Результаты передаются на второй модуль 12 моделирования, в котором из характеристик трендов для давлений и температур в соответствующем компоненте или в соответствующей детали определяются характеристики трендов температур внутри стенки и температур в середине стенки для контролируемых деталей. Это следует при обращении к параметрам конструкции и материалов, которые сохранены в запоминающем устройстве 2.
В следующем третьем модуле 14 моделирования с помощью определенных температур и давлений в деталях или компонентах определяются характеристики напряжений в стенках деталей, причем, например, при необходимости, также осуществляется обращение к параметрам или блокам данных, специфическим для деталей, сохраненным в запоминающем устройстве 2.
В следующем четвертом модуле 16 моделирования из определенных характеристик напряжения для каждой контролируемой детали или каждого контролируемого компонента определяется составляющая усталости для анализируемой смены состояний или изменения нагрузки. В последующем пятом модуле 18 моделирования определяется, наконец, та деталь или тот компонент, для которой/которого сумма текущего показателя усталости, который сохранен в запоминающем устройстве 2, и определенной в предыдущем четвертом модуле 16 моделирования дополнительной составляющей усталости, обусловленной оцениваемой сменой состояний или изменением нагрузки, является наибольшей. Эта деталь или этот компонент идентифицируется как «ведущий компонент» и при последующих оценках используется как релевантная деталь. Прогнозное значение усталости ведущего компонента рассматривается как ожидаемая составляющая усталости для установки в целом и выдается в блоке 20 выдачи для дополнительной оценки или для информирования обслуживающего персонала.
Таким образом, при надлежащем определении различных прогнозных показателей усталости можно, например, мероприятия по техническому обслуживанию или ремонту планировать, в частности, в соответствии с потребностями, при этом ожидаемая усталость ведущего компонента сравнивается с дополнительно учитываемыми предельными значениями. Дополнительно или в качестве альтернативы, можно также по типу планирования сценария моделировать множество различных смен состояний или изменений нагрузки, причем на основе определенных прогнозных значений усталости выбирается тот сценарий изменения нагрузки и привлекается для дальнейшей работы установки, который ведет к наименьшей дополнительной нагрузке.