Разработка элементов интегрированной логистической поддержки

турбин и турбинного оборудования электрических станций

В.И. Брезгин,

доц., к.т.н., с.н.с.,

Е.Н. Поляева,

студ.

УГТУ-УПИ, vibr@list.ru, г. Екатеринбург

Вопросы повышения эффективности послепродажного обслуживания наукоемкой продукции в последнее время стали особенно актуальными в отраслях, выпускающих продукцию военного назначения в связи с выходом наших предприятий на международный рынок вооружений. Обострение конкурентной борьбы на рынке энергетического машиностроения, в том числе на рынке турбин и турбинного оборудования актуализирует эту проблему и в энергетическом машиностроении.

В настоящее время в странах НАТО активно развиваются принципы и система стандартов интегрированной логистической поддержки (ИЛП) при послепродажном обслуживании продукции военного назначения. Понятие ИЛП охватывает комплекс процессов и процедур, выполняемых в ходе всего жизненного цикла (ЖЦ) изделия, направленных, преимущественно, на сокращение затрат на послепродажное сопровождение при непременном обеспечении заданного уровня технической готовности.

Основными аспектами проблемы снижения затрат, связанных с поддержанием турбин и турбинного оборудования в работоспособном состоянии, являются:

§  обеспечение высоких показателей за счет совершенствования процессов конструкторской, технологической подготовки производства, а также совершенствования собственно производственных процессов;

§  обеспечение ремонтопригодности и рациональная организация процедур технического обслуживания и ремонта турбин и турбинного оборудования, позволяющая снижать затраты на их проведение;

§  рациональная организация материально-технического обеспечения турбин и турбинного оборудования запасными частями, расходными материалами и принадлежностями для ремонтных работ;

§  обеспечение эксплуатационного, обслуживающего и ремонтного персонала актуальной, достоверной и удобной для практического использования технической документацией;

§  организация своевременной подготовки и переподготовки персонала для эффективной эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов оборудования;

§  сбор, обработка и анализ данных о фактических показателях надежности, ремонтопригодности, технологичности турбинного оборудования, на основе которых разработчики могут совершенствовать конструкцию, средства и системы технического обслуживания и ремонта.

Участие в постпроизводственных этапах ЖЦ турбин и турбинного оборудования различных предприятий приводит к необходимости согласований между предприятиями форматов передачи данных, протоколов связи, технологии взаимодействия. Использование общих стандартов позволяет уменьшить число необходимых согласований. На рис. 1 и 2 этот факт представлен наглядно.

Fig12

рис. 1 Количество согласований при отсутствии общих стандартов = N(N-1) =30

Для представления данных и информационных моделей следует применять стандарты серии ГОСТ Р ИСО 10303 (русскоязычный аналог ISO 10303 STandard for Exchange of Product data (STEP), а для ИЛП, ввиду отсутствия российских стандартов для данного направления, следует опираться на стандарт Министерства обороны Великобритании DEF STAN 00-60 [1], который стал фактически международным, стандарт НАТО [2], а также спецификации AECMA 1000D [3] и Авиационный справочник АС 1.1.S1000DR-2007 [4].

Особенностью стандарта NPDM [2] является возможность представления данных в различных контекстах: контекст заказчика, контекст разработчика (в том числе - конструкторский контекст и технологический контекст), контекст эксплуатанта. Состав изделия в технологическом контексте включает, помимо конструкторского контекста промежуточные технологические подсборки. Например, в состав маслоохладителя (МО) паровой турбины, если рассмотреть технологический контекст, помимо элементов конструкции МО входят вальцовка, смазка, упаковка и др. В эксплуатационном контексте в состав изделия входят только те компоненты, с которыми выполняются регламентные работы.

Дальнейшее развитие эти методы получили в стандарте ISO 8879 (SGML). В отличие от стандартов STEP в нем изначально предусмотрены средства форматирования и обеспечения корректной визуализации данных. Характерным примером комплексного применения технологии SGML является спецификация S1000D [3].

Fig13

рис. 2 Количество согласований при наличии общих стандартов = 2N = 12

Диаграмма декомпозиции А1 концептуальной модели непрерывной информационной поддержки ЖЦ турбин и турбинного оборудования, опубликованной ранее [5, 6] представлена на рис. 3. Особенностью этой диаграммы является наличие стрелки вызова у функции 1.4 – "Сформировать данные постпроизводственных этапов ЖЦ", свидетельствующее о расщеплении функциональной модели. Новая модель, полученная в результате расщепления функциональной модели "Применение CALS-технологий в ЖЦ турбин и турбинного оборудования", имеет название "Обеспечить интегрированную логистическую поддержку  ЖЦ турбин и оборудования". Первая декомпозиция функциональной модели представлена на рис. 4.

 

рис. 3 Декомпозиция функции "представление данных о турбинах и

турбинном оборудовании в электронном виде" (подмножество {fС})

В качестве особенности этой диаграммы следует отметить наличие ссылки выхода  на внешнюю сущность у функции 3 ("Выполнить эксплуатацию") и управляющее воздействие из внешней сущности ("Согласованные указания разработчика") на нее же. Внешней сущностью для рассматриваемой модели является функциональная модель "Обеспечить поддержку ЖЦ турбин и турбинного оборудования", описанная в [5, 6]. Уже сегодня, в соответствии с правилами [7] часть эксплуатационных и ремонтных процедур требуют согласования с разработчиком – турбинным заводом. Именно разработчик принимает решение о возможности продления ресурса оборудования или эксплуатации его в условиях, отличающихся от предусмотренных в инструкции. Решение, принятое турбинным заводом, становится обязательным, управляющим воздействием для электростанции.

По мере внедрения CALS технологий (это – требование времени) взаимодействие турбинного завода, электростанции и ремонтного предприятия должно стать более глубоким, а за счет внедрения новых технологий – менее обременительным для персонала, на качественно более высоком уровне, обеспечивающее снижение затрат на владение.

рис. 4 Первая декомпозиция функциональной модели "Обеспечить интегрированную

логистическую поддержку  ЖЦ турбин и оборудования"

рис. 5. Диаграмма декомпозиции функции "Выполнить эксплуатацию"

Наиболее значимая с точки зрения удовлетворения общественных потребностей в электрической и тепловой энергии функция – "Выполнить эксплуатацию" (функция 3, см. рис. 4). Функция 3 на рис. 4 имеет стрелку механизма с тоннелем типа "не в дочерней работе". Вызвано это тем, что на нижнем уровне этот механизм (персонал электрической станции) используется во всех работах без исключения. В этом случае стандарт IDEF0 допускает удаление на диграмме декомпозиции стрелок механизма [8, 9].

Диаграмма декомпозиции функции "Выполнить эксплуатацию" представлена на рис. 5. Функция 3.1 ("Выработка электрической и тепловой энергии", см. рис. 5) является основной функцией для удовлетворения общественной потребности. Стрелка управления "Общественные потребности в электрической и тепловой энергии" имеет тоннель типа "не в родительской работе", поскольку, для диаграмм уровня выше описываемой она малозначима. Функции, представленные блоками 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 обеспечивают анализ работы оборудования электростанции, в том числе турбин и турбинного оборудования.

Информационные объекты, создающиеся в процессе работы функции 3.1, собираются системой управления электрической станцией. Как правило, на электрической станции одновременно действуют автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) и неавтоматизированная система управления ТЭС. Доля АСУ ТП в управлении ТЭС на разных электрических станциях различная, однако на всех станциях наблюдается тенденция ее роста. Одним из основных требований CALS-технологий является автоматизированное создание информационных объектов, поэтому степень развитости АСУ ТП влияет на возможности их внедрения на ТЭС. Тем не менее, даже в условиях, когда АСУ ТП не полностью обеспечивает функции управления ТЭС, автоматизация процессов анализа работы оборудования позволяет сформировать ИО в виде, обеспечивающем информационную поддержку эксплуатации оборудования электростанций.

Функция "Расчет "косвенных" ТЭП и анализ работы персонала" (блок 3.2, рис. 5) исходные данные получает из АСУ ТП, а при их отсутствии или недостоверности могут быть введены вручную. Исходные данные, получаемые из АСУ ТП, формируются из массивов мгновенных показателей работы оборудования. Каждое новое значение параметра сохраняется в массиве при превышении значения параметра на заданную величину, которая определяет значение нечувствительности системы сбора данных. По этой причине размер массива за определенный интервал времени зависит как от стабильности режима работы оборудования, так и от настройки программного обеспечения АСУ ТП. Функция 3.2 включает в себя следующие основные работы:

·         Ввод данных.

·         Контроль достоверности.

·         Предварительная обработка.

·         Расчёт нормируемых показателей на интервалах 1 смена, 1 сутки, за выбранный интервал.

·         Формирование отчетных документов.

·         Экспорт результатов расчета.

Технико-экономические показатели (ТЭП), рассчитанные на интервале 1 сутки, экспортируются в функцию 3.3 – "Расчет технико-экономических показателей работы оборудования", о чем свидетельствует обратная связь по входу между блоками 3.2 и 3.3 (см. рис. 5). ТЭП, рассчитанные на интервале 1 смена, обрабатываются специальным алгоритмом для анализа работы эксплуатационного персонала электрической станции.

Функция 3.3 обеспечивает расчет технико-экономических показателей ТЭС (далее – Расчет ТЭП) для различных групп оборудования: турбина, котел, энергоблок (для ТЭС без поперечных связей), цех, электростанция в целом. Исходными данными для функции 3.3 являются значения суточных замеров показателей работы различных элементов оборудования электрической станции с помощью штатных средств измерений и регистрации. При этом процесс подготовки исходных данных представляет собой суммирование, осреднение или "средневзвешивание" по заданному параметру. В результате расчета и анализа технико-экономических показателей эксплуатационный персонал получает информацию об эффективности работы оборудования электростанции, имеет возможность прогнозирования расходов условного топлива при заданных электрической и тепловой нагрузках.

Массивы исходных данных формируются из различных источников: из АСУ ТП; из других приложений, функционирующих на станции; вводятся вручную. Исходными данными для этой функции являются как результаты измерений, так и дискретные данные о составе и текущем состоянии оборудования. Наличие обратных связей по входу (см. рис. 5) с функциями 3.2 ("Расчет "косвенных" ТЭП…") и 3.4 ("Контроль состояния эксплуатируемого оборудования") обусловлено высокой взаимозависимостью рассчитываемых показателей. Анализ технико-экономических показателей работы оборудования не возможен без знания его текущего технического состояния, чем объясняется связь по входу с функцией 3.4. С другой стороны, изменение технико-экономических показателей работы оборудования может служить основанием для проведения дополнительных испытаний оборудования, о чем свидетельствует связь по управлению с функцией 3.4 (см. рис. 5). Часть выходных данных функции 3.3 (ТЭП) используется в качестве входной информации в функциях 3.4 и 3.5 ("Расчет показателей экологического контроля"). Кроме того, выходные данные функции 3.3 представляются в виде отчетов на различных уровнях управления электростанции и энергетической корпорации. Часть данных представляет интерес для заводов-изготовителей оборудования, поэтому предусмотрена передача данных в электронном виде их соответствующим службам и подразделениям (граничная стрелка выхода диаграммы "Данные об эксплуатации").

Основные работы, выполняемые в функции 3.3:

·         ввод исходных данных и расчет  показателей;

·         просмотр и предварительный анализ входных и выходных данных;

·         ведение нормативно-справочной информации (НСИ);

·         ввод и ведение граничных значений для входного контроля;

·         ретроспективный анализ результатов на требуемом временном интервале;

·         дополнительные сервисные функции.

Функция "Расчёт ТЭП" состоит из ряда последовательно и итерационно решаемых задач. После ввода исходных данных проводится расчет норматив­ных расходов топлива. Результаты расчета этой за­дачи являются исходными данными для расчета теплового баланса, в котором оцениваются перето­ки теплоты между блоками и группами блоков и сводится тепловой баланс но ТЭС в целом. Полу­ченные показатели используются для уточнения расчета нормативных расходов топлива. Итераци­онный цикл повторяется несколько раз для полу­чения удовлетворительной сходимости.

Функция 3.4 ("Контроль состояния эксплуатируемого оборудования") включает в себя работы, выполняемые персоналом электростанции при регулярных испытаниях оборудования. Регламент испытаний оборудования электростанции установлен Правилами [7] и другими руководящими техническими документами, в соответствии с которыми различные элементы оборудования проходят испытания от одного раза в неделю до одного раза в три месяца. Поэтому структура функции "Контроль состояния эксплуатируемого оборудования" (КСО) является одноранговой, в которой обработка результатов испытаний оборудования и их анализ производится независимо. Особый интерес пред­ставляют испытания, проводимые до и после ка­питальных ремонтов. Анализ результатов таких испытаний позволяет оценить качество выполнен­ных работ. Описываемая функция 3.4 (см[B1] . рис. 5) не толь­ко является инструментальным средством для об­работки результатов испытаний, но и позволяет проанализировать их, дать оценку работы штат­ных средств измерения, обратить внимание поль­зователя на отклонения в работе оборудования, а в некоторых случаях указать на возможные причи­ны этих отклонений. Информация, получаемая на выходе функции (стрелка "Результаты анализа КСО") передаётся на вход следующих функций (блок 3.5 – "Расчет показателей экологического контроля" и блок 3.6 – "Оптимизация распределения электрической и тепловой энергии").  Передается в электронном виде соответствующим службам и подразделениям заводов-изготовителей оборудования (граничная стрелка выхода диаграммы "Данные об эксплуатации"), и, в форме обратной связи по входу – в функцию "Расчет технико-экономических показателей работы оборудования". Диагностические возможности функции 3.4 позволяют не только выявить оборудование, требующее проведения ремонтных работ (стрелка выхода "Оборудование, нуждающееся в ремонте"), но и  в определенной мере указать на необходимый объем ремонтных работ (стрелка выхода "Требования по ремонту").

Стрелка выхода функции 3.3 ("Требования дополнительных испытаний", (рис. 5)) является для функции 3.4 связью по управлению, поскольку анализ технико-экономических показателей работы оборудования позволяет выявить элементы оборудования энергоблока, виновные в ухудшении показателей работы блока. Для выявления причин ухудшения ТЭП оборудования проводятся дополнительные, внеплановые испытания оборудования. По результатам испытаний оборудования проводится корректировка нормативных характеристик работы оборудования, вносятся поправки на его реальное, текущее состояние. Все расчетные приложения, которые нуждаются в информации о текущем состоянии оборудования, его актуальных нормативных характеристиках работы, получают эти данные в единой базе НСИ. Эта база уточняется и актуализируется по результатам функции КСО.

Функция 3.5 – "Расчет показателей экологического контроля" (рис. 5) предназначена для определения показателей функционирова­ния ТЭС как субъекта хозяйственной деятельно­сти, использующего природные ресурсы, оказывающего неблагоприятное воздействие на окружаю­щую среду и выполняющего определенную приро­доохранную деятельность в соответствии с законодательством РФ. Исходными данными для этой функции служат некоторые результаты функций 3.3 (Расчет ТЭП) и 3.4 (КСО). В КЗ "Экология" выполня­ется обработка и хранение результатов химиче­ских анализов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду; оцениваются ин­тегральные величины сбросов, выбросов, количе­ство используемой воды и др. Результаты количе­ственного химического анализа проходят внутрен­ний контроль качества в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2002.

В результате работы функции 3.5 может быть получен вывод о необходимости проведения дополнительных испытаний тех единиц станционного оборудования, работа которых сопровождается повышенной экологической нагрузкой на окружающую среду. Об этом свидетельствует обратная связь по управлению между функциями "Экологический контроль" и КСО (рис. 5).

Структура описываемой функции аналогична структуре функции "Расчет ТЭП" и представляет собой ряд последовательно и итерационно решаемых задач.

Функция 3.6 – "Оптимизация распределения электрической и тепловой энергии" (рис. 5) выполняет задачу перераспределения электрической и тепловой нагрузки на энергоблоки электрической станции для обеспечения максимального снижения затрат для производства требуемого количества тепловой и электрической мощности. Исходными данными для проведения расчетов являются данные по электрической нагрузке энергоблоков, получаемые из АСУ ТП станции, тепловая нагрузка по энергоблокам из функции 3.3, уточненные нормативные характеристики оборудования из базы НСИ оборудования ТЭС (или из функции 3.3). А текущее состояние оборудования – из функции 3.4 (стрелки входа в блоке 3.6 на рис. 5). Оптимизация распределения нагрузок производится в зависимости от величины  затрат на топливо при производстве тепловой и электрической энергий и, производной от нее, характеристики относительных приростов затрат при изменении электрической нагрузки.

Для ПТУ, имеющий срок эксплуатации более 40 лет, затраты на постпроизводственных этапах ЖЦ, связанные с поддержанием в работоспособном состоянии (затраты на владение) могут превышать затраты на приобретение. Причем в силу экономических причин (инфляция, повышение производительности труда и др.) затраты на владение растут, а на приобретение – падают. Этот факт отражен на рис. 6, где представлен безразмерный график, иллюстрирующий указанные тенденции [10].

Технико-экономические аспекты ИЛП различаются в контексте эксплуатанта турбин и турбинного оборудования (электростанции) и производителя (турбинного завода). Анализ структуры затрат ОАО "Тюменьэнерго" в 2004 г., полученная по данным, опубликованным в открытой печати, показал, что доля расходов по содержанию и эксплуатации оборудования составляет 26 % в себестоимости, амортизация производственного оборудования – 4%, а вместе они, фактически показывающая стоимость ИЛП, составляют 30 % от всех затрат. Поэтому работы, связанные с улучшением ИЛП турбин и турбинного оборудования напрямую улучшают финансовые показатели деятельности электростанций.

Fig15

рис. 6 Динамика составляющих стоимости жизненного цикла во времени

Дальнейшая работа по разработке функциональной модели "Обеспечить интегрированную логистическую поддержку  ЖЦ турбин и оборудования" не ограничилась задачами функционального моделирования. Функции 3.2…3.5 были реализованы в виде программных комплексов "Расчет ТЭП на интервале 1 смена", "Расчет ТЭП", "Контроль состояния оборудования", "Экологический контроль", впоследствии объединенных в ПК "Эксплуатация – 3.0" [11…14] и внедрены с разной степенью полноты на шести электрических станциях Урала и Сибири. На рис. 7и 8 показаны некоторые экранные формы, иллюстрирующие их работу.

                Ввод данных

    рис. 7. Графическое представление ретроспективного                                  рис. 8. Ввод данных в ПК "Расчёт ТЭП

   анализа данных ПК "Контроль состояния оборудования

Базовые принципы, заложенные в архитектуру ПК, показали свою актуальность. Опыт работы описываемых комплексов задач доказал правильность выбранных путей при реализации принятых решений. Накопленный опыт позволяет с уверенностью говорить о возможности внедрения описываемых комплексов задач на других электростанциях и представлять их как первые шаги по разработке элементов интегрированной логистической поддержки  турбин и турбинного оборудования ТЭС.

Литература

1.     Integrated Logistic Support. DEF STAN 00-60. U.K. Ministry of Defence. Jan.1999. http://www.cals.ru/standards/international/

2.     NATO Product Data Model, v.4.10, 2002.  http://www.cals.ru/standards/international/std/NPDM_v4.10.pdf

3.     AECMA 1000D. International Specification for Technical Publications / The European Association of Aerospace Industries and Aerospace Industries of America. Issue 4.0, 2009. http://public.s1000d.org/Downloads/Pages/S1000DDownloads.aspx

4.     Авиационный справочник АС 1.1.S1000DR-2007. Международная спецификация на технические публикации, выполняемые на основе общей базы данных. М.: ФГУП "НИИСУ", 2007. 3028 с.

5.     Брезгин В.И. Концепция информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования как стратегия развития энергомашиностроения / В.И.Брезгин, Ю.М.Бродов, С.М.Зырянов // "Тяжелое машиностроение" № 12, 2005 г. C. 2-5.

6.     Брезгин В.И. Модель непрерывной информационной поддержки жизненного цикла паротурбинных установок тепловых электростанций / В.И. Брезгин, А.А. Чубаров, Д.В. Брезгин // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM 2005). Материалы 5-ой международной конференции CAD/CAM/PDM 2005. М.:Институт проблем управления РАН, 25-27 октября 2005. С. 52-53.

7.     Правила технической эксплуатации энергетических станций и сетей РФ. Министерство энергетики РФ.М.: ЗАО "Энергосервис", 2003. 368 с.

8.     Р 50.1.028-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования: Рекомендации по стандартизации. - М.: Госстандарт России, 2001. 50 с.

9.     Маклаков С.В. Моделирование бизнес-процессов AllFusion Process Modeler. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. – 240 с.

10.   Судов Е.В. Технологии интегрированной логистической поддержки изделий машиностроения / Е.В.Судов [и др.]. М.: ООО Издательский дом "Информбюро", 2006. 232 с.

11.   Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2003612286 РФ. Расчет технико-экономических показателей электростанции (ПК «ТЭП 2.х): программный комплекс / В.И. Брезгин, К.Э. Аронсон, Ю.М.Бродов, Т.В. Панова, И.Л. Кожевников (Россия). № 2003611748;  заявл. 07.08.2003 // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам "Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем". 2004. № 1(46). С. 13.

12.   Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2003612285 РФ. Контроль состояния оборудования электростанции (ПК «КСО 2.х): программный комплекс / В.И. Брезгин, К.Э. Аронсон, Ю.М.Бродов, Т.В. Панова (Россия). № 2003611747;  заявл. 07.08.2003 // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам "Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем". 2004. № 1(46). С. 13.

13.   Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2003612284 РФ. Экологический контроль работы электростанции (ПК «ЭКО 2.х): программный комплекс / В.И. Брезгин, К.Э. Аронсон, Т.В. Панова (Россия). № 2003611746;  заявл. 07.08.2003 // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам "Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем". 2004. № 1(46). С. 12.

14.   Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2003612283 РФ. "Эксплуатация" (ПК "Эксплуатация 3.0"): программный комплекс / В.И. Брезгин, К.Э. Аронсон, И.Л. Кожевников, Т.В. Панова, Д.В. Брезгин (Россия). № 2003611745;  заявл. 07.08.2003 // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам "Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем". 2004. № 1(46). С. 12.

 

 [B1]. 3.7)