Nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ tua bin khí sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ SỬ DỤNG TRÊN CÁC TÀU THỦY Ở VIỆT NAM RESEARCH ON EVALUATION OF SAFETY NORMS FOR GAS TURBINE ENGINES USED ON MARINE SHIPS IN VIETNAM Lưu Minh Hải1, Nguyễn Trung Hải2 Ngày nhận bài: 02/6/2014; Ngày phản biện thông qua: 27/6/2014; Ngày duyệt đăng: 01/12/2014 TÓM TẮT Bài báo này tóm tắt kết quả nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ tua bin khí sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam. Chỉ tiêu an toàn của một hệ thống kỹ thuật được đánh giá thông qua xác suất an toàn hoặc xác suất hư hỏng của từng phần tử trong hệ thống đó. Việc kết hợp phương pháp logic xác suất và phương pháp phân tích cây hư hỏng cho phép nâng cao độ chính xác trong đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ tua bin khí. Phần mềm SSAT-2013 được xây dựng cho phép xác định các thông số của chỉ tiêu an toàn nhanh chóng đồng thời đưa ra các kết quả dự báo đáng tin cậy về tình trạng kỹ thuật của thiết bị. Từ khóa: Độ tin cậy, động cơ tua bin khí, chỉ tiêu an toàn ABTRACT This paper summarizes the results of studies evaluating safety norms for gas turbine engines used on marine ships in Vietnam. Safety norms of a technical system are evaluated through safety probability or probability of failure to each element in the system. The combination of probability - logic method and Fault Tree Analysis method allows improving the accuracy of safety norms evaluation for gas turbine engines. SSAT-2013 software is developed to allow indentifying promptly the parameters of safety norms while providing results of reliable prediction of a technical condition of the equipment. Keywords: Reliability, gas turbine engine, safety norm I. ĐẶT VẤN ĐỀ được giao, đặc biệt là trong tuần tra, cứu hộ, cứu Chỉ tiêu an toà n cho phé p ta đá nh giá đượ c khả nạn, bảo vệ an toàn cho ngư dân khai thác xa bờ, năng là m việ c an toà n củ a trang bị kỹ thuậ t trong bảo vệ chủ quyền biển đảo thềm lục địa của tổ quốc. quá trì nh khai thá c. Chỉ tiêu an toà n được đặc trưng Tuy nhiên, việc sử dụng và khai thác động cơ bởi cường độ hỏng và xác suất làm việc không TBK tương đối phức tạp, đòi hỏi người khai thác hỏng, thời gian làm việc trung bình an toàn [3,4]. phải có trình độ cao, chấp hành nghiêm ngặt các Đây là mộ t trong nhữ ng chỉ tiêu quan trọ ng nhấ t khi qui trình khai thác, các qui định kiểm tra, bảo dưỡng đá nh giá độ tin cậ y của trang bị kỹ thuậ t. động cơ Ngoài ra, điều kiện thời tiết, khí hậu và Động cơ tua bin khí (TBK) có công suất lớn, môi trường hoạt động cũng ảnh hưởng rất lớn tới tính cơ động cao, khối lượng và kích thước nhỏ gọn công suất, độ bền và tuổi thọ của động cơ TBK tàu so với các loại động cơ cùng công suất khác. Hiện thủy. Thực tế khai thác thời gian qua cho thấy xuất nay, các động cơ TBK đang được ứng dụng rộng rãi hiện rất nhiều các hư hỏng xảy ra cho động cơ TBK, trong các trạm phát điện tĩnh tại, trên các phương làm ảnh hưởng không nhỏ tới việc đảm bảo độ tin tiện giao thông vận tải và đặc biệt là trên các tàu cậy, tính an toàn của hệ động lực tàu. Việc sửa của Hải quân. Những ưu điểm của hệ động lực TBK chữa các thiết bị, hệ thống của động cơ TBK cũng cho phép các tàu thủy phát huy được tốc độ cao và phức tạp và khó khăn nhất là khi đang hoạt động các tính năng cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ trên biển. Vì thế, việc nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu 1Lưu Minh Hải: Cao học Kỹ thuật tàu thuyền 2011 – Trường Đại học Nha Trang 2 TS. Nguyễn Trung Hải: Học viện Hải Quân - Nha Trang 112 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 an toàn qua đó dự báo tình trạng kỹ thuật cho các - Xây dựng phần mềm máy tính đánh giá chỉ động cơ TBK tàu thủy và đề xuất các biện pháp phù tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy. hợp nâng cao tính an toàn cho động cơ là hết sức Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các động cơ cần thiết và cần có sự quan tâm thỏa đáng từ phía TBK sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam. người quản lý và sử dụng tàu nhất là trong điều kiện Trong đề tài tác giả sử dụng phương pháp logic kinh tế nước ta còn nghèo. xác suất [1,2,4] kết hợp phương pháp phân tích cây II. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP hư hỏng để xác định chỉ tiêu an toàn cho động cơ NGHIÊN CỨU TBK tàu thủy [1,5,6]. Mục tiêu của đề tài giải quyết hai vấn đề sau: Quá trình nghiên cứu, đánh giá chỉ tiêu an toàn - Xây dựng phương pháp đánh giá chỉ tiêu an của động cơ TBK được thực hiện theo trình tự như toàn của động cơ TBK tàu thủy; hình 1. Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Sơ đồ nguyên lý động cơ tua bin khí tà u thủy Hì nh 2. Sơ đồ nguyên lý độ ng cơ tua bin khí tà u thủy 1 - Thiết bị vào, 2- Máy né n thấ p á p, 3 - Má y né n cao á p, 4 - Buồ ng đố t, 5 - Tuabin cao á p, 6 - Tuabin thấ p á p, 7 - Tuabin chân vịt, 8 - Hộp số, 9 - Chân vịt 2. Các phần tử chính của động cơ TBK dùng để mong muố n, đồ ng thờ i đưa ra cá c giả i phá p có tí nh đánh giá chỉ tiêu an toàn khoa họ c, khả thi nhằ m nâng cao tí nh an toà n cho Để quá trì nh phân tí ch, tí nh toá n, đá nh giá chỉ độ ng cơ TBK tà u thủy, tác giả phân chia độ ng cơ tiêu an toà n cho động cơ TBK tà u thủy đượ c thuậ n TBK thà nh cá c nhó m phầ n tử quy đổ i và cá c phầ n tiệ n nhưng đả m bảo đạ t đượ c cá c kế t quả như tử quy đổ i (gọ i là phân hệ và phầ n tử ) như bảng 1: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 113 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 Bảng 1. Các phần tử, phân hệ của động cơ TBK dùng để đánh giá chỉ tiêu an toàn TT Tên phần tử Ký hiệu phần tử Phân hệ Ký hiệu phân hệ 1 Thiế t bị và o X1 2 Má y né n khí X2 3 Buồ ng đố t X3 Động cơ X 4 Tuabin X4 5 Ổ trụ c X5 6 Hệ thống nhiên liệ u Y1 7 Hệ thống bôi trơn Y2 Hệ thống phục vụ Y 8 Hệ thống là m má t Y3 9 Hệ thống khởi động Y4 10 Hệ thống khí Z 1 Hệ thống điều Z khiển, bảo vệ 11 Hệ thống điện Z2 3. Sơ đồ cấu trúc đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ tua bin khí tàu thủy Sơ đồ cấu trúc dùng để đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy Việt Nam gồm 11 phần tử nối tiếp nhau như sơ đồ hình 3. Hình 3. Sơ đồ cấ u trú c đánh giá chỉ tiêu an toàn củ a động cơ tua bin khí tàu thủy 4. Mô hình cây hư hỏng của động cơ tua bin khí tàu thủy Hình 4. Mô hình cây hư hỏng của động cơ tua bin khí tàu thủy 114 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 5. Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu thống kê 6. Sơ đồ thuật toán xác định chỉ tiêu an toàn của các phân hệ và của cả động cơ TBK Hình 6. Sơ đồ thuật toán xác định chỉ tiêu an toàn động cơ Hình 5. Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu thống kê TBK tàu thủy Việt Nam 7. Phần mềm SSAT 2013 Hình 7. Giao điện phần mềm SSAT-2013 Phần mềm xác định, đánh giá chỉ tiêu an toàn - Thống kê hỏng hóc của các phần tử; của động cơ TBK tàu thủy SSAT-2013 được xây - Xử lý số liệu thống kê hỏng hóc của các phần dựng bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic trên tử: chọn dạng phân bố, kiểm tra giả thuyết thống kê, cơ sở lưu đồ thuật toán hình 5 và hình 6. Thông tính toán xác định các thông số của chỉ tiêu an toàn qua phần mềm này có thể thực hiện được các nội theo từng khoảng thời gian khảo sát như: Hàm mật dung sau: độ phân phối xác suất, xác suất hỏng, xác suất an - Thống kê các phần tử của động cơ TBK toàn, cườ ng độ hỏng, thời gian làm việc trung bình tàu thủy; an toàn, TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 115 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 - Tính toán xác định các thông số chỉ tiêu an 8. Chỉ tiêu an toàn của các phần tử và của động toàn của các phân hệ và của cả động cơ; cơ TBK - Vẽ đồ thị hàm mật độ phân phối xác suất hỏng, Các kết quả tính toán chỉ tiêu an toàn của động đồ thị các hàm xác suất an toàn, xác suất hỏng cho cơ TBK bằng phần mềm SSAT-2013 được tổng từng phần tử, từng phân hệ và động cơ; - Đưa ra các kết luận về chỉ tiêu an toàn cho hợp và trình bày trên các bảng 2, 3 và các hình từng phần tử, từng phân hệ và cho cả động cơ. 8, 9, 10. Hình 8. Biểu đồ cường độ hỏng của các phần tử của động cơ Hình 9. Biểu đồ thời gian làm việc trung bình an toàn của Tua bin khí tàu thủy các phần tử của động cơ TBK tàu thủy Bảng 2. Xác suất hỏng của các phần tử của động cơ TBK Xác suất hỏng Khoảng khảo TT Thiết bị Buồng HT nhiên HT bôi HT làm HT khởi sát (Giờ) Máy nén Tua bin Ổ trục HT khí HT điệ n vào đốt liệu trơn mát động 1 0 ÷ 200 0.00007 0.00006 0.00018 0.00013 0.00029 0.00083 0.00030 0.00019 0.00013 0.00041 0.00077 2 200 ÷ 400 0.00131 0.00115 0.00316 0.00245 0.00502 0.01168 0.00489 0.00314 0.00229 0.00628 0.01122 3 400 ÷ 600 0.00728 0.00689 0.01610 0.01278 0.02435 0.04698 0.02257 0.01496 0.01147 0.02745 0.04638 4 600 ÷ 800 0.02606 0.02618 0.05228 0.04269 0.07491 0.12219 0.06715 0.04635 0.03721 0.07778 0.12312 5 800 ÷ 1000 0.07077 0.07417 0.12805 0.10780 0.17315 0.24467 0.15269 0.11050 0.09265 0.16958 0.24975 6 1000 ÷ 1200 0.15544 0.16715 0.25288 0.21973 0.32212 0.40498 0.28391 0.21652 0.18887 0.30462 0.41585 7 1200 ÷ 1400 0.28581 0.31041 0.41829 0.37515 0.50236 0.57747 0.44848 0.36138 0.32655 0.46849 0.59297 8 1400 ÷ 1600 0.45098 0.48811 0.59673 0.55153 0.67847 0.73190 0.61928 0.52705 0.49093 0.63453 0.74842 9 1600 ÷ 1800 0.62440 0.66680 0.75457 0.71633 0.81846 0.84780 0.76704 0.68677 0.65586 0.77603 0.86151 10 1800 ÷ 2000 0.77602 0.81317 0.86959 0.84367 0.90940 0.92107 0.87410 0.81721 0.79559 0.87794 0.93004 11 2000 ÷ 2200 0.88675 0.91115 0.93887 0.92533 0.95783 0.96021 0.93928 0.90772 0.89587 0.94016 0.96474 12 2200 ÷ 2400 0.95445 0.96486 0.97343 0.96888 0.97903 0.97791 0.97269 0.96122 0.95698 0.97244 0.97945 13 2400 ÷ 2600 0.98918 0.98902 0.98773 0.98823 0.98667 0.98471 0.98714 0.98819 0.98864 0.98669 0.98469 Bảng 3. Các thông số của chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy Việt Nam Các thông số của chỉ tiêu an toàn Khoảng khảo TT Thời gian làm việc trung sát (Giờ) Xác suất hỏng Xác suất an toàn Cường độ hỏng (giờ -1) bình an toàn (giờ) 1 0 ÷ 200 0.0033552 0.9966448 0.000844 2 200 ÷ 400 0.0514148 0.9485852 0.001818 3 400 ÷ 600 0.2140376 0.7859624 0.003431 4 600 ÷ 800 0.5160114 0.4839886 0.005727 5 800 ÷ 1000 0.8219104 0.1780896 0.008589 6 1000 ÷ 1200 0.9694262 0.0305738 0.011774 7 1200 ÷ 1400 0.9980684 0.0019316 0.015031 685.16 8 1400 ÷ 1600 0.9999631 0.0000369 0.018115 9 1600 ÷ 1800 0.9999998 0.0000002 0.020837 10 1800 ÷ 2000 1.0000000 0.0000000 0.022950 11 2000 ÷ 2200 1.0000000 0.0000000 0.024086 12 2200 ÷ 2400 1.0000000 0.0000000 0.024169 13 2400 ÷ 2600 1.0000000 0.0000000 0.026863 116 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 Số lượng, chủng loại vật tư, phụ tùng dự phòng có thể căn cứ vào kết quả tính toán chỉ tiêu an toàn cho từng phần tử của động cơ TBK như đã đánh giá ở trên. Để đảm bảo an toàn trong khai thác động cơ TBK cần có kế hoạch sửa chữa động cơ trước 1400 giờ làm việc. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả đạt được và hạn chế Kết quả đạt được - Xây dựng cơ sở lí thuyết xác định chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK. Hình 10. Đồ thì xác suất hỏng Q(t) và xác suất an toàn P(t) của động cơ TBK sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam - Xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán, Căn cứ vào các kết quả tính toán thu được ở xác định chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK sử dụng trên, có thể rút ra được những nhận xét, đánh giá trên các tàu thủy ở Việt Nam. về tính an toàn cho động cơ tua bin khí sử dụng trên - Tính toán xác định cụ thể các chỉ tiêu an toàn các tàu thủy ở Việt Nam như sau: (xác suất hỏng, xác xuất an toàn, cường độ hỏng Theo sơ đồ cấu trúc, động cơ tua bin khí tàu và thời gian làm việc trung bình an toàn) cho từng thủy Việt Nam là một hệ thống nối tiếp nên khi một phần tử và cho cả động cơ TBK theo từng khoảng phần tử trong một phân hệ bất kỳ bị hư hỏng sẽ làm thời gian khảo sát. cho phân hệ đó hư hỏng và kéo theo hư hỏng cho Hạn chế cả động cơ TBK. Tại một thời điểm nào đó, xác suất Kết quả của đề tài mới chỉ dừng lại ở việc tính xảy ra hư hỏng của động cơ TBK lớn hơn rất nhiều toán chỉ tiêu an toàn (chỉ tiêu quan trọng nhất của độ so với xác suất xảy ra hư hỏng từng phân hệ, từng tin cậy) mà chưa xác định các chỉ tiêu khác của độ phần tử. Điều này cho thấy khi xác suất xảy ra hư tin cậy của động cơ TBK tàu thủy Việt Nam. hỏng của một phần tử, một phân hệ tăng thì xác suất xảy ra hư hỏng của động cơ TBK tăng nhiều, 2. Kiến nghị tức tính an toàn của hệ thống bị giảm nhanh chóng. - Các cơ quan quản lý kỹ thuật xem xét ứng Các động cơ TBK sử dụng trên các tàu thủy ở dụng kết quả đề tài để đánh giá tính an toàn cho các Việt Nam có thời gian làm việc trung bình an toàn động cơ TBK. Đồng thời cần quan tâm thích đáng khoảng 685 giờ; sau khoảng 1400 giờ xác xuất an và tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các chỉ tiêu độ tin toàn tiến dần về 0. Như vậy, theo tính toán các chỉ cậy cho tất cả các dạng động cơ tua bin khí đang và tiêu an toàn cho các động cơ TBK tàu thủy Việt sẽ được sử dụng nhiều trên các tàu thủy ở Việt Nam Nam, sau khoảng 700 giờ làm việc, nguy cơ hư trong thời gian tới. hỏng xảy ra cho các động cơ TBK sẽ tăng cao. Khi - Cần tiếp tục đào tạo sâu hơn về khai thác sử đó cần phải dự trù bổ sung các loại vật tư phụ tùng dụng động cơ TBK tàu thủy để có thể nhanh chóng để sửa chữa, thay thế cũng như có các kế hoạch làm chủ, nâng cao khả năng vận hành, khai thác, xử bảo quản, kiểm sửa dự phòng cho phù hợp. lý các tình huống thực tế xảy ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Trung Hải, 2004. Phân tích cây hư hỏng và phương pháp logic xác suất đánh giá độ tin cậy hệ thống động lực tàu thủy, Tạp chí Giao thông vận tải số 5-2004. 2. Nguyễn Trung Hải, 2005. Đánh giá độ tin cậy của hệ thống động lực các tàu vận tải biển Việt Nam có sử dụng động cơ 6L350PN bằng phương pháp logic xác suất, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang, Khánh Hòa. 3. Nguyễn Nông, Hoàng Ngọc Vinh, 2000. Độ tin cậy trong sửa chữa ô tô - máy kéo, NXB Giáo dục. 4. Nguyễn Thạch, 2004. Cơ sở độ tin cậy động cơ diesel tàu thuỷ, NXB KHKT, Hà Nội. Tiếng Anh 5. Z.W.BIRNBAUM, 1975. Reliability and fault tree analysis - Theoretical and applied aspects of system reliability and safety assessment, The George Washington University, Washington, D.C. 6. Jianwen Xiang, 2005. Fault Tree Analysis and Formal Methods for Requirements Engineering. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 117