Организация технического обслуживания, ремонта и замены электрических двигателей на промышленном предприятии с целью модернизации производства
На правах рукописи
МАРКОВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ, РЕМОНТА И ЗАМЕНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ С ЦЕЛЬЮ МОДЕРНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2013 г.
2
Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович
Официальные оппоненты: профессор кафедры «Автоматизированных электротехнологических установок и систем» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», доктор технических наук Кувалдин Александр Борисович вед. специалист ЗАО «Энекон-Сервис», кандидат технических наук, Барышников Олег Петрович Ведущее предприятие: ОAО «Апатит» г. Кировск.
Защита состоится 17 мая 2013 года в аудитории М-611 в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
Автореферат разослан « » 2013 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Цырук С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Электрическое хозяйство современных промышленных предприятий необходимо рассматривать как сложную систему, состоящую из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов (на крупных металлургических заводах может эксплуатироваться более 100 000 электрических двигателей). Обеспечение предприятия электроэнергией связано с решением задач по трм крупным разделам: 1) электроснабжение;
2) электропривод, силовое оборудование и автоматизация, электроосвещение;
3) ремонт электрооборудования. В настоящее время, в области ремонта электрооборудования, промышленные предприятия пользуются документами, разработанными более трех десятилетий назад. Их значимость уменьшилась после появление современных видов электрооборудования и прекращения масштабных исследований в области ремонта электрооборудования. Существующая система планово предупредительного ремонта основана на однозначном планировании (не учитывает вероятностных свойств энергетических комплексов) и требует постоянного финансирования и достаточного количества квалифицированных трудовых ресурсов. Оказалось, что для электрического хозяйства промышленных предприятий состоящего из элементов (электротехнических изделий, блоков, узлов, деталей, комплектующих, простейших и иных изделий, материалов, конструкций и узлов), проявляется неизбежное ценологическое многообразие. Это привело к тому, что в системе планово-предупредительного ремонта длительности цикла ремонта, межремонтные периоды, трудомкости текущего и капитального ремонтов сильно различаются даже для одной отрасли.
Большой износ установленного электрооборудования (60% и более) приводит к фактическому росту аварийности. В современном мире вопросам энергоэффективности уделяется особое внимание, требуя снижения потребления электроэнергии, увеличения надежности работы как предприятий в целом, так и отдельных агрегатов и снижения вредного экологического воздействия. Развитие науки и техники позволило создавать новые энергоэффективные виды электрических двигателей, отличающихся повышенным КПД. Также большое распространение завовывают регулируемые электроприводы, используемые как для обеспечения основных технологических характеристик (режимов работы) механизмов, так и с целью энергосбережения. 23 ноября 2009 г. был утвержден Федеральный закон № 261 ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (далее – закон № 261-ФЗ). Закон формирует принципиально новое отношение к процессу повышения энергетической эффективности и конкурентоспособности промышленных предприятий РФ. В связи с этим актуализируется не только вопрос о ремонте электрооборудования как таковом, но и о его замене на современные энергоэффективные типы.
Актуальность решаемой задачи обусловлена: большим количеством установленного электрооборудования и его высоким износом;
большим видовым разнообразием установленного оборудования;
завышенными затратами на техническое обслуживание и капитальный ремонт оборудования.
Целью работы является создание нового подхода к организации технического обслуживания, ремонта и замены электрических двигателей на энергоэффективные типы в условиях технического перевооружения и внедрения инноваций, заключающегося в:
оптимизации структуры установленного электрооборудования за счет частичного сокращения видового разнообразия установленных электрических двигателей;
разработке методики проведения замены электрических двигателей на энергоэффективные типы;
организации технического обслуживания и ремонта электрических двигателей до и после проведения их замены.
Достижение конечной цели диссертационной работы осуществляется путем последовательного решения следующих задач:
Анализ структуры парка установленного и ремонтируемого 1.
оборудования.
Разработка методики определения перечня электрических 2.
двигателей, подлежащих замене.
Проведение качественной оценки надежности работы 3.
электрических двигателей при применении различных стратегий ремонта.
Минимизация объема технического обслуживания и ремонта 4.
электрических двигателей за счет применения современных средств диагностики состояния электрооборудования.
Организация технического обслуживания и ремонта 5.
энергоэффективных электрических двигателей.
Составление основных требований к организациям, 6.
осуществляющим фирменный ремонт двигателей.
Оценка экономии электроэнергии при внедрении 7.
энергоэффективных двигателей и соблюдении технологии производства.
Основные методы научных исследований. Исследования, проведенные в ходе диссертационной работы, базируются на использовании методов математического моделирования и статистики, теории электрических машин, ценологической теории, теории проведения кластерного анализа, методов решения дифференциальных и алгебраических уравнений. Результатом теоритических исследований стала разработанная универсальная методика, реализованная посредством разных программных пакетов.
Научная новизна заключается в следующем:
Разработана методика проведения замены электрических 1.
двигателей на энергоэффективные с целью снижения электропотребления и повышения надежности функционирования промышленного предприятия в целом.
Доказано повышение надежности работы комплекса 2.
электрооборудования при применении стратегии ремонта по техническому состоянию и предложена методика ее внедрения на промышленное предприятие.
Проведн комплексный анализ структуры установленных и 3.
ремонтируемых на промышленном предприятии электрических двигателей, позволивший определить типы электрических двигателей, имеющих наиболее высокий потенциал повышения надежности работы и энергоэффективности.
Обоснован выбор системы проведения технического обслуживания 4.
и ремонта двигателей, подлежащих замене, позволяющей повысить надежность работы предприятия в целом и сохранить устойчивые структуры видовых Н-распределений установленных и ремонтируемых двигателей.
Доказана необходимость проведения технического обслуживания и 5.
ремонта устанавливаемых энергоэффективных двигателей силами сторонних организаций (проведение фирменного ремонта), осуществляющих их ремонт и техническую поддержку. На основании полученных данных сформулированы основные требования к организациям, осуществляющим сервисное обслуживание и ремонт.
Практическая ценность работы и ее реализация заключаются в возможности использования полученных моделей, методик в службах главного энергетика промышленных предприятий. Созданная методика, основанная на использовании математического аппарата гиперболических H-распределений, позволяет определить основные направления изменения видового разнообразия установленного электрооборудования для определения оптимального перечня электрических двигателей, подлежащих замене. Применение стратегии ремонта по техническому состоянию позволит снизить параметр потока отказов электрических двигателей. Предложенная система организации технического обслуживания двигателей, до проведения их замены, позволит снизить затраты на эксплуатацию и их ремонт. Разработанная методика проведения замены и предложенная система организации технического обслуживания и ремонта электрических двигателей ориентированы на широкий круг пользователей и могут быть рекомендованы к использованию на предприятиях химической промышленности.
Достоверность результатов исследования подтверждается корректностью исходных посылок, корректным использованием математического аппарата гиперболических H-распределений и методов кластерного анализа.
Реализация результатов работы.
Результаты работы внедрены в систему организации технического обслуживания, ремонта и замены электрических двигателей на промышленном предприятии ОАО «Аммофос».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика проведения замены электрических двигателей на энергоэффективные с целью повышения надежности их работы, снижения электропотребления и улучшения основных показателей функционирования промышленного предприятия за счет оптимизации видового H-распределения установленных электрических двигателей.
2. Обоснование применения стратегии ремонта по техническому состоянию для снижения скорости возрастания параметра потока отказов двигателей при их длительной эксплуатации.
3. Система организации технического обслуживания и ремонта электрических двигателей до и после проведения их замены на энергоэффективные.
4. Перечень требований к организациям, осуществляющим фирменный ремонт и продажу электрооборудования.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: XV–XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика» (Москва, 2009–2013);
всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молоджи (с международным участием) «Фдоровские чтения – 2012» (Москва, 2012);
VIII межрегиональной (международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2011);
научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2012» (Иваново, 2012);
на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» МЭИ.
Публикации. Основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в четырех изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учных степеней доктора и кандидата наук.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков и 9 таблиц. Список использованной литературы включает 106 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения представлены на 144 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность.
В первой главе рассмотрены системы организации технического обслуживания и ремонта электрических двигателей на зарубежных и российских промышленных предприятиях.
Рассмотрены истории становления систем организации ремонта и замены электрооборудования на промышленных предприятиях в мире и в России, сформулированы основные их достоинства и недостатки. Рассмотрены основы организации диагностики электрооборудования с использованием современных средств оценки технического состояния. Формулируется вывод о том, что в современных условиях рыночной экономики применение системы планово предупредительного ремонта для части эксплуатируемого электрооборудования не всегда оправданно ввиду больших денежных затрат на эксплуатацию и ремонт. В связи с усложнением новых видов электрооборудования необходим новый подход к организации его технического обслуживания, ремонта и замены.
Во второй главе рассматриваются основные понятия ценологического подхода и его базовые аналитические зависимости, а также основные понятия кластерного анализа и возможность его использования для выделения видов (типов) двигателей, подлежащих замене.
Для проведения дальнейшего исследования предложены и обоснованы основные параметры, характеризующие электрический двигатель как вид (тип, номинальная мощность и угловая скорость вращения).
Математический аппарат ценологического подхода основан на трех видах гиперболических H-распределений: видовом, ранговом видовом и ранговом по параметру. Для видового распределения справедлива зависимость:
(x)=W0/x1+, (1) где xє[1;
) – непрерывный аналог мощности (численности) популяция i (i – всегда дискретная величина);
0 – характеристический показатель, постоянная распределения;
W0 – фактическое значение первой точки. Для рангового видового распределения справедлива зависимость:
rв =B/r, (2) в где – количество видов;
rв – видовой ранг.
Производится проверка соответствия генеральной совокупности данных (двигатели, установленные на промышленном предприятии в 2010 г. и отремонтированные в электроремонтном цехе в период 2007-2010 гг.) нормальному закону распределения. Поскольку видовое Н-распределение преобразуется в ранговое (в каждом временном интервале), то в основу статистической меры проверки гипотезы соответствия генеральной совокупности данных по критерию (видовой ранг) принимается ранговое видовое распределение. Были рассмотрены различные критерии:
1) Хи-квадрат (критерий Пирсона). Использование этого критерия основано на применении такой меры (статистики) расхождения между теоретическим F(x) и эмпирическим распределением Fп(x), которая приближенно подчиняется закону распределения 2.
Критерий А.Н. Колмогорова. Для применения критерия 2) экспериментальные данные требуется представить в виде вариационного ряда (экспериментальные данные недопустимо объединять в разряды). В качестве меры расхождения между теоретической F(x) и эмпирической Fп(x) функциями распределения непрерывной случайной величины Х используется модуль максимальной разности:
dn = max|F(x) – Fп(x)|. (3) 3) Критерий Мизеса. В качестве меры различия теоретической функции распределения F(x) и эмпирической Fп(x) по критерию Мизеса выступает средний квадрат отклонений по всем значениям аргумента x:
2 = (Fn (x)-F(x)) dF(x). (4) n На основании того, что критерий Пирсона применяют для проверки гипотезы при большом объеме выборки (n 100), а также для любых видов функции F(x), даже при неизвестных значениях их параметров, было принято решение применять его. Использование критерия 2 предусматривает разбиение размаха варьирования выборки на интервалы и определение числа наблюдений (частоты) nj для каждого из e интервалов. Статистикой критерия Пирсона служит величина:
( ) 2 = ), (5) =1 где pj – вероятность попадания изучаемой случайной величины в j-и интервал, вычисляемая в соответствии с гипотетическим законом распределения F(x).
Для электрических двигателей, установленных на промышленном предприятии ОАО «Аммофос», 2 =2,684108, а его критическое значение 2 = 35,172. Как можно наблюдать, теоретические и эмпирические частоты отличаются значимо, следовательно, гипотезу о нормальном распределении генеральной совокупности установленных электрических двигателей можно отвергнуть (совокупность данных имеет бесконечную дисперсию и для нее не выполняется закон больших чисел). Для электрических двигателей, отремонтированных в 2007-2010 гг., значения 2 и 2 сведены в таблицу 1.
Таблица Эмпирические и теоретические значения для двигателей, отремонтированных в электроремонтном цехе в период 2007–2010 гг.
Год 2007 2008 2009 1,231107 7,025106 6,655104 5, 2 22,362 22,362 22,362 22, Как видим, каждое ранговое видовое распределение отремонтированных двигателей имеет 2 много больше 2 и соответственно нулевая гипотеза отвергается.
Согласно постулатам ценологической теории делается вывод о том, что совокупности двигателей, установленных на промышленном предприятии ОАО «Аммофос» в 2010 г. и отремонтированных в электроремонтном цехе в период 2007-2010 гг., являются техноценозами, то есть для них не выполняется закон больших чисел, дисперсия бесконечна и связи между элементами слабы.
Производится построение ранговых видовых распределений установленных двигателей и отремонтированных электрических двигателей (рисунки 1 и 2) и их аппроксимация методом наименьших квадратов и методом наименьших модулей. Выполнено сравнение полученных аппроксимирующих кривых и реальных значений, определены истинные ошибки. Проведенное сравнение результатов показало, что наименьшая истинная ошибка образуется при использовании метода наименьших квадратов. Вид функции аппроксимирующих кривых представлен на графиках. Делается вывод о том, что ранговые видовые распределения отремонтированных двигателей, при мало изменяющихся значениях, являются устойчивыми гиперболическими H-распределениями.
30 Количество Количеств особей, кот о (rв) = 62,321/rв0,829 орыми особей, кот (rв) = 64,847/rв0, представлен орыми данный вид представле н данный - вид 0 50 100 150 0 50 100 видовой ранг видовой ранг а б 25 Количество Количество 15 особей, кот особей, кот (rв) = 69,463/rв0,888 орыми орыми (rв) = 57,766/rв0, представле представлен 5 н данный данный вид вид -5 0 50 100 150 0 50 100 видовой ранг видовой ранг в г Рисунок 1 – Ранговое видовое распределение отремонтированных двигателей:
а – 2007 г.;
б – 2008 г.;
в – 2009 г.;
г – 2010 г.
Количество особей, которыми (rв) = 552,52/rв0, представлен вид 0 100 200 300 400 500 600 Видовой ранг Рисунок 2 – Ранговое видовое распределение установленных на промышленном предприятии электрических двигателей в 2010 г.
Для определения согласованности перемещения объектов по ранговой поверхности при переходе от одного временного интервала к следующему производится вычисление коэффициента конкордации, характеризующего степень взаимосвязанности техноценоза. Для двигателей, отремонтированных в электроремонтном цехе, формула коэффициента конкордации имеет вид:
D = m2(n3-n), (6) где n – количество видов электрических машин, m – количество ранговых распределений в каждом временном интервале;
D – отклонение сумм оценок от их среднего. Значение составило 0,857. Делается вывод, что коэффициент конкордации значим, что свидетельствует о взаимосвязанности исследуемого техноценоза.
Производится анализ основных алгоритмов проведения кластерного анализа. Предлагается использовать иерархический кластерный анализ, суть которого состоит в последовательном объединении меньших кластеров в большие или разделении больших кластеров на меньшие. В качестве способа вычисления расстояния между объектами или группами объектов предлагается применять Евклидово расстояние:
Е (o(1), o(2) )= n j=1 (xj -xj ), (7) где o(1) и o(2) – объекты, а (o(1), o(2)) - расстояние между ними.
Формулируется вывод о том, что наилучшим образом структуры установленных и ремонтируемых электрических двигателей описывают математические модели на основе Н-распределения и для выделения группы электрических двигателей, подлежащих замене, необходимо применять кластерный двухпараметрический (срок ввода в эксплуатацию и КПД) анализ.
В третьей главе приведен анализ электрического хозяйства промышленного предприятия ОАО «Аммофос» с целью выявления электрических двигателей, имеющих наиболее высокий потенциал энергосбережения;
обосновано изменение надежности работы электрооборудования в зависимости от применяемой стратегии ремонта;
на основе метода кластерного анализа выделен перечень электрических двигателей, подлежащих замене.
Производится анализ двигателей, отремонтированных в электроремонтном цехе (таблица 2). В связи с тем, что количество электрических двигателей и число их видов велико, то одним из путей повышения эффективности ремонта электрооборудования возможно применение теории массового обслуживания, позволяющей снизить трудозатраты на ремонт за счт проведения серийного ремонта оборудования на 10-15 %.
Таблица Информация по двигателям, поступившим в ремонт в период 2007– 2010 гг.
Год 2007 2008 2009 Количество электрических двигателей, шт. 478 400 441 Количество видов (типоразмеров), шт. 141 113 130 Количество заменнных электрических 32 31 34 двигателей, шт.
Отмечено, что в период с 2007–2010 гг. заменено было от 31 до 34-х двигателей, что характерно для завода в целом, то есть, в среднем за год, в электроремонтном цехе заменяют около 7,7 % двигателей от общего количества поступивших в ремонт. Вышедшие из строя двигатели были заменены на двигатели такой же серии.
Далее производится анализ сроков ввода в эксплуатацию электрических двигателей, установленных на промышленном предприятии (рисунок 6).
Количество электрических двигателей, шт Год ввода в эксплуатацию Рисунок 3 – Распределение количества электрических двигателей, введенных в эксплуатацию на заводе, с разбивкой по годам Как видно из рисунка, существует большое количество электрических двигателей со сроком службы более 30 лет. На практике известно, что в среднем электрический двигатель имеет промежуток между капитальными ремонтами, равный 15 тыс. ч. Для не основных двигателей капитальный ремонт позволяет продлить срок их эксплуатации ещ на 13–14 тыс. ч. Из рисунка видно, что 16,7 % установленных двигателей имеют срок службы 30 лет и более. Данные виды электрических двигателей имеют различные мощности и невысокий КПД.
Производится оптимизация структуры установленных двигателей на основе видового распределения (рисунок 7). Кривые аппроксимации строились методом наименьших квадратов по данным табулированного видового распределения.
Количество «аномальные» точки видов, имеющих данную (x) = 265,02/x1, численность, шт.
0 10 20 30 40 50 Возможная численность, шт Рисунок 4 – Видовое распределение установленных электрических двигателей в 2010 году На основании видового распределения установленного электрооборудования мы можем видеть, что часть электрических двигателей, имеющих мощность популяции равную четырм и восьми, находится выше аппроксимирующей кривой. Данные точки с координатами (4, 73) и (8, 25) можно назвать «аномальными». В соответствии с философскими и методологическими основаниями закона оптимального построения техноценозов, и так как данные точки (4, 73) и (8, 25) находятся выше кривой аппроксимации, то виды электрических двигателей, соответствующие этим точкам, недостаточно унифицированы. Недостаточная унификация приводит к снижению функциональных показателей, т.е. к снижению наджности электрооборудования, ремонтопригодности, к ухудшению массогабаритных показателей и т.д. Следовательно, для промышленного предприятия мы получаем заниженные показатели, искажающее общий процесс его функционирования. Сохраним данные о видах двигателей, попадающих в точки с координатами (4, 73) и (8, 25), для дальнейшего исследования.
Рассмотрены видовые распределения отремонтированных в электроремонтном цехе двигателей (параметры распределения представлены в таблице 3).
Таблица Параметры кривых аппроксимирующих видовые распределения двигателей отремонтированных в электроремонтном цехе Год 2007 2008 2009 W0 66,58 39,96 54,74 60, 1,43 1,3 1,46 1, Как видно из таблицы 3, за 2007–2010 гг. параметр распределения практически не меняется (за исключением 2008 года). Для 2008 г. характерно уменьшение количества видов и количества особей электрических двигателей, поступивших в электроремонтный цех. Как показывает многолетний опыт исследования техноценозов различных областей человеческой деятельности, наилучшим является такое состояние техноценоза, при котором в аппроксимирующем выражении видового распределения коэффициент находится в пределах 0,5 1,5 (наиболее оптимальные показатели, отражающие процесс функционирования, при 1). Делается вывод о том, что при правильном выполнении частичного сокращения количества особей и видов электрических двигателей, ремонтируемых в электроремонтном цехе, техноценоз будет стремиться к своему устойчивому состоянию (в 2008 г.
=1,3).
Производится оценка влияний стратегий ремонта на параметр потока отказов двигателей. Существуют четыре основных стратегии ремонта электрооборудования. Три из них: 1) на отказ (аварийно-восстановительные ремонты);
2) регламентированная (система ППР);
3) по техническому состоянию;
4) смешанная (ремонт выполняется с периодичностью, установленной в нормативно-технической документации, а объем операций восстановления формируется на основе требований эксплуатационной документации с учетом технического состояния основных частей оборудования). В работе рассматриваются первые три стратегии, так как они являются самостоятельными, а четвертая состоит из частей второй и третьей стратегий. Для стратегии номер 1 параметр потока отказов в зависимости от времени t можно записать следующем выражением:
t =0 + T, (8) где 0 – начальное значение потока отказов;
– изменение параметра потока отказов на промежутке времени. Зависимость может быть линейной, степенной, показательной и т.д. Для простоты расчетов в работе рассматривается пример изменения по линейному закону, то есть = (), где – среднее значение параметра потока отказов, а () – коэффициент, учитывающий старение электрооборудования;
условия эксплуатации;
правильность действий персонала;
качество электрической энергии и др. Для второй стратегии параметр потока отказов:
= 0 + 1 1 кр (9) = где T – периодичность текущего ремонта;
– коэффициент полноты восстановления элемента при текущем ремонте;
кр – коэффициент полноты восстановления элемента при капитальном ремонте;
к – количество проведенных текущих ремонтов;
n – количество проведенных капитальных ремонтов. Для третьей стратегии ремонта параметр потока отказов после (n+1)– го капитального ремонта определяется следующим образом:
+1 = 0 + ( 1 + 1 1 + +1 )(1 кр ). (10) = Необходимо также отметить, что при вводе в эксплуатацию нового оборудования количество его отказов в начале эксплуатации (0 ) всегда выше, чем в период нормальной работы (область U-образной кривой). Данная кривая подходит для различных процессов (количество дорожно-транспортных происшествий в зависимости от стажа водителя;
количество выходов из строя телефонов от срока их эксплуатации и др.), она также актуальна и для электрических двигателей. На основании вышеизложенного, производится построение кривых параметров потока отказов в зависимости от стратегии ремонта (рисунок 8).
Рисунок 5 – Зависимость параметра потока отказов от времени эксплуатации электрического двигателя для трех стратегий ремонта Из рисунка видно, что установка нового электрического двигателя (момент времени tЗ) и применение системы технического обслуживания и ремонта по техническому состоянию позволяет снизить скорость возрастания параметра потока отказов и повысить надежность работы системы двигатель исполняющий орган.
Проанализированы основные причины выхода из строя асинхронных двигателей. Во многих случаях выход из строя двигателей вызван плохим качеством электроэнергии. Нередко из-за коротких провалов и перенапряжений, возникающих вследствие коротких замыканий в системах внешнего (110–500 кВ) и внутреннего (6–20 кВ) электроснабжения, нарушается (частично или полностью) работа приводов различных механизмов, что приводит к значительному ущербу. Для повышения надежности работы электрических двигателей напряжением 6-10 кВ предлагается применять специальные устройства повышающие качество электроэнергии, например СТАТКОМ (устройство статической компенсации) и ДКИН (динамический компенсатор искажения напряжения). Основными причинами необходимости проведения замены электрооборудования являются: 1) снижение наджности работы электрических двигателей и связанных с ними механизмов;
2) моральный и физический износ оборудования (срок ввода в эксплуатацию);
3) невысокий КПД и, как следствие, повышенное потребление электроэнергии;
4) необходимость улучшения основных показателей функционирования промышленного предприятия как техноценоза.
Производится двухпараметрический (номинальная мощность и срок ввода в эксплуатацию) кластерный анализ. Параметр - срок ввода в эксплуатацию выбран с целью принятия решения о повышении надежности работы двигателя, а номинальная мощность, как параметр, влияющий на КПД (например, КПД вращающихся электрических машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,92–0,96, мощностью 1–100 кВт – 0,7–0,9, а микромашин – 0,4–0,6). Кластерный анализ выполнялся в программном комплексе «SPSS».
После обработки всего массива данных было найдено оптимальное количество кластеров, равное 13. Краткая характеристика каждого из кластеров представлена в таблице 4.
Таблица Характеристики двигателей, представленных в кластерах Срок ввода в эксплуатацию Номинальная мощность Количество особей Номер кластера двигателей, двигателей, входящих в (электрических входящих в кластер, кВт двигателей), шт кластер, г.
(0,001 – 200) кВт 1 1972–1985 (400 – 630) кВт 2 1979 1600 кВт (СД) 3 1976, 1979 (100 – 400) кВт 4 1978–1989 (0,06 – 200) кВт 5 1985–1997 630 и 800 кВт 6 1986–1993 (160 – 400) кВт 7 1991–1997 (500 – 630) кВт 8 1994–1997 (3000 – 3200) кВт 9 1995 (0,12 – 132) кВт 10 1997–2010 630 и 800 кВт 11 1999–2002 (160 – 500) кВт 12 1999–2007 4000 кВт 13 2008–2010 На первом этапе проведения замены было принято решение о работе с первым кластером. Двигатели в нем имеют большой срок службы и не раз проходили капитальный ремонт. Двигатели мощностью более 200 кВт имеют высокую стоимость, и немногие экономические службы предприятия согласятся на проведение их замены.
В четвертой главе разработана методика проведения замены электрических двигателей на энергоэффективные. Предложена система организации технического обслуживания и ремонта электрических двигателей до и после проведения их замены. Сформулированы основные требования к организациям, осуществляющим фирменный ремонт.
Рассмотрены основные достоинства энергоэффективных двигателей:
1) повышенная наджность работы;
2) сокращение продолжительности простоев и затрат на техническое обслуживание;
3) возросшая устойчивость к тепловым нагрузкам;
4) улучшенная способность к работе в условиях перегрузки. Делается вывод о возможности применения энергоэффективных электрических двигателей для повышения надежности их работы и снижения электропотребления.
Предложена упрощенная форма расчета срока окупаемости приобретения энергоэффективного двигателя, вместо проведения капитального ремонта существующего с учтом следующих допущений:
стоимость проведения капитального ремонта двигателей мощностью более 20 кВт составляет 50 % от стоимости приобретения аналогичного двигателя;
стоимость энергоэффективного двигателя мощностью более 20 кВт составляет 1,2-1,3 от стоимости приобретения аналогичного двигателя общего назначения;
загрузка двигателя в режиме работы в среднем составляет 60 %.
Была получена следующая формула:
2,17ЗЭД Токуп.макс=, (11) 1 Рср.мощн. tраб.годСэл.эн. ( - ) сущ.ЭД нов.ЭД где ЗЭД – затраты на приобретение электрического двигателя, аналогичного такому же;
Сэл.эн – стоимость электроэнергии руб./кВтч;
Рср.мощн – средняя мощность, потребляемая электродвигателем в год;
tраб.год – число часов работы электрического двигателя в год;
сущ.ЭД. – КПД существующего электрического двигателя;
нов.ЭД – КПД нового (энергоэффективного) электрического двигателя.
С учетом прогноза Министерства экономического развития РФ (прирост цены электроэнергии планируется в пределах 12,5–14 % в год) и с учетом прогноза Международного валютного фонда (инфляция в России в 2012– гг. будет на уровне 6,3–6,4 %) для двигателя АО2-91-4 (мощность 75 кВт, синхронная угловая скорость –1500 об/мин, число часов работы в год – 5200 ч., КПД – 0,925) период окупаемости проведения замены на энергоэффективный серии М3ВР 280 SMA (КПД – 0,949), вместо проведения капитального ремонта существующего двигателя, составит около 2–2,5 лет (при 100 % загрузке и цене двигателя АО2-91-4 – 77 000 руб.).
Показано, что вопрос, связанный с принятием решения о замене или ремонте электрического двигателя зависит от соотношения затрат на ремонт существующего и стоимости нового двигателя. Опрос в США показал, что усредненное значение пороговой величины составило 53 % (решение о замене принималось при стоимости ремонта двигателя 53 % и более от стоимости нового аналогичного). В опросе 2003 года данный порог принятия решения составлял 61 %, с диапазоном от 60:62%. Формулируется вывод о проводимой промышленным предприятиями США политики ежегодного обновления парка установленного оборудования для повышения надежности работы предприятия в целом и недопущения недоотпуска продукции.
Проведение замены всех электрических двигателей (790 шт.) на первом этапе требует больших капитальных вложений и, в связи с тем, что для двигателей мощностью менее 10 кВт стоимость аналогичного энергоэффективного больше на 50-100 % стоимости аналогичного установленному, то предлагается производить замену, на первых этапах, двигателей мощностью от 10 до 200 кВт (первый кластер), их количество будет 261 шт. (8 % от общего количества двигателей).
Необходимо понимать, что каждый главный энергетик должен оценивать существующую возможность реформирования системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования с целью сохранения е устойчивой структуры. Проведенная в 3 главе процедура оптимизации техноценоза выделила «аномальные» точки. Для оптимизации техноценоза (улучшения его основных показателей функционирования), с сохранением его устойчивой структуры, на первом этапе предложено произвести замену тех видов двигателей, которые образуют «аномальные» точки. В результате количество двигателей, подлежащих замене на первом этапе, составляет 38 шт.
(около 1 % от общего числа установленных двигателей). На последующих этапах предлагается произвести замену оставшихся из 261 двигателей с учетом сохранения формы кривой видового распределения установленных электрических двигателей.
Для правильной оценки возможности замены электрооборудования на промышленном предприятии необходимо дополнительно получить экспертное мнение технологов производства. Заключение персонала, эксплуатирующего установки и механизмы, к которым присоединн электрический двигатель, может повлиять на принятие решения о замене. Технологи совместно со службой главного энергетика (электриками производства или цеха) должны определить возможность замены с точки зрения следующих основных параметров: 1) габаритных размеров двигателя и самой установки;
2) максимальной загрузки электрической сети, питающий электрический двигатель;
3) наличия технической возможности проведения такой замены.
Далее проведена оценка снижения электропотребления при замене двигателей на энергоэффективные с учетом следующих допущений:
1) паспортные данные установленных двигателей не изменились за время эксплуатации;
2) двигатели работают при загрузке, близкой к номинальной;
3) выполнение замены двигателей на новые возможно для всех видов двигателей (кроме крановых). Из перечня, состоящего из 38 двигателей, были выделены 25 типов (таблица 5), подлежащих замене. Снижение электропотребления в год рассчитывалось следующим образом:
Wпотр. =Pном ээф.дв. -уст.дв. tгод, (12) где Pном – номинальная мощность двигателя;
ээф.дв. и уст.дв. – КПД энергоэффективного и установленного двигателя соответственно;
tгод – число часов работы двигателя в год.
Таблица Перечень электрических двигателей подлежащих замене Врем Рном Год ввода в КПД Рном w, КПД Тип нового работ № Тип об/ми эксплуатаци нового,, двигателя ыв,% кВт н ю кВт,% год, ч АО2-91- М3ВР 1 75 1500 1980 92,5 94,9 75 4 SMA - - - - - - - - - МО225S М3ВР 8 55 1500 1982 92,5 94,6 55 4 SMA АО2-81- M3BP 9 40 1500 1975 91,5 93,6 45 4 SMA - - - - - - - - - АО2-72- M3BP 17 22 1000 1979 90,5 91,7 22 6 MLB - - - - - - - - - Общее снижение электропотребления составило 71885 кВтч в год.
Для организации технического обслуживания и ремонта двигателей до проведения их замены предложено разделить двигатели, подлежащие замене, на следующие категории: 1) ответственные электрические двигатели – двигатели, установленные на основных производствах, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, массовый недоотпуск продукции;
2) неответственные электрические двигатели – данные типы двигателей используют в качестве приводов неответственных механизмов. К данному типу относятся все остальные электрические двигатели.
Для ответственных электрических двигателей предлагается производить их замену на новые сразу же после приобретения и «обкатки» энергоэффективного двигателя (не дожидаясь его аварийного выхода из строя), в некоторых случаях, предлагается производить замену перед капитальным ремонтом (решение принимается главным энергетиком и начальником цеха).
До момента приобретения необходимо производить техническое обслуживание и ремонт в соответствии с утвержденным графиком планово предупредительных ремонтных работ.
Для неответственных электрических двигателей предлагается использовать стратегию технического обслуживания и ремонта «на отказ». В данном случае мы имеем следующее: при эксплуатации электрического двигателя предлагается исключить его из графиков планово предупредительных ремонтов и, следовательно, не производить осмотры, а также текущие, средние и капитальные ремонты. Для таких видов двигателей необходимо организовать склад хранения новых энергоэффективных двигателей, который необходимо постоянно пополнять.
Впервые для предприятий химической промышленности разработана методика проведения замены электрических двигателей на энергоэффективные с целью снижения электропотребления, повышения надежности работы предприятия в целом и сохранения устойчивой структуры техноценоза, состоящая из следующих этапов: 1) подготовка исходных данных;
2) проверка гипотезы о соответствии генеральной совокупности данных нормальному закону распределения;
3) построение видовых и ранговых видовых распределений и их аппроксимация;
4) оптимизация структуры установленных и ремонтируемых электрических двигателей;
5) проведение кластерного анализа установленного оборудования;
6) проведение экспертной оценки перечня двигателей, подлежащих замене;
7) выделение этапов замены электрических двигателей на энергоэффективные;
8) формирование инструкций по осуществлению технического обслуживания и ремонта электрических двигателей до и после проведения замены на энергоэффективные.
Далее предложена система организации технического обслуживания и ремонта энергоэффективных двигателей:
В первый год эксплуатации нового двигателя, характеризующегося 1.
повышенным параметром потока отказов (период приработки), ремонт двигателя необходимо производить на гарантийной основе. В данный момент времени промышленное предприятие нест только затраты от простоя оборудования в случае его аварийной остановки.
В период нормальной работы (центральная часть U-образной 2.
кривой), необходимо производить техническое обслуживание и ремонт силами сторонней организации с распределением затрат на себестоимость продукции.
В случае длительного срока эксплуатации электрического двигателя 3.
необходимо рассмотреть возможность дальнейшей его замены на новые виды согласно предложенной методике.
Сформулированы основные требования к организации, занимающейся техническим обслуживанием и ремонтом энергоэффективных двигателей широта номенклатуры предоставляемых продуктов;
известность марки производителя двигателей;
близость расположения от промышленного предприятия;
сервис по обслуживанию клиентов и оперативность выполняемых заказов;
наличие сервиса по техническому обслуживанию и ремонту электрических двигателей;
наличие гарантии на новые электрические двигатели и, соответственно, возможность быстрого проведения гарантийного ремонта;
невысокая стоимость двигателей.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты по диссертационной работе.
В приложениях представлены основные данные об установленном электрооборудовании, перечни видов электрических двигателей подлежащих замене и результаты расчтов снижения электропотребления в виде таблиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача повышения надежности работы электрических двигателей и повышения энергоэффективности работы промышленного предприятия, за счет эффективной организацией технического обслуживания, ремонта и замены установленного оборудования, и внедрения двигателей с повышенным КПД.
На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты:
Критически оценены мировые тенденции в области организации 1.
ремонта, технического обслуживания и замены электрических двигателей и их особенности в нашей стране.
Доказано, что структуры установленных и ремонтируемых в 2.
электроремонтном цехе предприятия электрических двигателей могут быть описаны Н-распределениями, то есть представляют собой техноценоз.
Обосновано повышение надежности работы двигателей и 3.
связанных с ними установок после проведения замены на энергоэффективные двигатели и внедрения стратегии ремонта по техническому состоянию.
На основе кластерного анализа и методов оптимизации видового 4.
распределения установленных электрических двигателей разработана универсальная методика определения перечня электрических двигателей, подлежащих замене, с целью улучшения основных показателей функционирования промышленного предприятия.
Предложена система организации технического обслуживания и 5.
ремонта электрических двигателей до проведения их замены на энергоэффективные, позволяющая снизить капитальные затраты на приобретение новых и эксплуатацию установленных.
Разработана методика проведения замены установленных на 6.
промышленном предприятии электрических двигателей на энергоэффективные с целью сохранения устойчивой структуры видового распределения установленных двигателей, повышения надежности работы и уменьшения электропотребления завода.
Обоснована необходимость применения системы ремонта 7.
энергоэффективных двигателей силами сторонних организаций (фирменный ремонт) и сформулированы основные требования к организациям, оказывающим продажу, техническое обслуживание и ремонт новых электрических двигателей, установленных на (энергоэффективных) промышленном предприятии.
Основное содержание работы
отражено в следующих публикациях:
1. Кудрин Б.И., Марков Ю.В. Организация промышленного электроремонта в условиях модернизации и инноваций. Часть 1 // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.-2011. - № 8.
2. Кудрин Б.И., Марков Ю.В. Организация промышленного электроремонта в условиях модернизации и инноваций. Часть 2 // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.-2011. - № 9.- С. 27-31.
3. Гамазин С.И., Пупин В.М., Марков Ю.В. Обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии // Промышленная энергетика. 2006. № 11. С. 51–56.
4. Гамазин С.И., Пупин В.М., Марков Ю.В. Динамические компенсаторы искажений напряжения как способ повышения эффективности работы потребителей при нарушениях электроснабжения // Главный энергетик. 2006. № 6. С. 22–29.
5. Марков Ю.В. Методы организации ремонта оборудования на промышленных предприятиях // ХVII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тезисы докладов.- 2011. - Т2.
6. Марков Ю.В. Современный подход к организации ремонта электрооборудования // ХVIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тезисы докладов.- 2012. -Т3.
7. Марков Ю.В. Выбор сторонней организации, выполняющей техническое обслуживание и ремонт электрических двигателей на промышленных предприятиях // IХХ международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»:
тезисы докладов.- 2013. -Т3.
8. Марков Ю.В. Методы организации ремонта электрооборудования на промышленных предприятиях // 8-я межрегиональная (международная) научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика»: сборник трудов. 2011. –Т2.
9. Марков Ю.В. Пути развития промышленного электроремонта в условиях рыночно экономики // 7-я региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (с международным участием) «Энергия - 2012»: материалы конференции.- 2012. -Т3.
10. Марков Ю.В. Организация технического обслуживания и ремонта электрических двигателей на промышленных предприятиях // Федоровские чтения-2012. XLII Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи. 2012.