Incorporation of flexibility, reliability, availability, maintenance and safety in process operations and design

Abstract

This thesis deals with the problem of systematically integrating operability in process design and operations. Generic criteria and tools for the quantitative assessment and optimisation of Flexibility, Reliability, Availability, Maintenance and Safety of complex process systems are proposed.In particular, based on process models, i.e. detailed mathematical models describing the design and operational characteristics of the process system (design equations, mass and energy balances, thermophysical properties, etc); process uncertainty, i.e. description of variations (internal or external) involved in the process system regarding demand orders, flowrate, pressure and temperature fluctuations, efficiencies, etc.; reliability models, i.e. description of the degradation of the various pieces of equipment as a function of time (manufacturers' specifications and/or available process data,existing data bases, etc); maintenance models, i.e. a set of all possible maintenance strategies (in terms of number of crews, corrective-preventive maintenance options, cost data, steady-state or over time) and safety models, i.e. a set of critical operating states/regions, over the system's life cycle of operation, an integrated framework has been developed featuring:Quantification (over time) of the effect of uncertainty and equipment deterioration on the system's performance via a process optimisation step.Determination of the most cost effective maintenance strategy to achieve a desired system performance target within a specified time of operation via a maintenance optimisation step.Identification of critical parts (bottlenecks) in the system mostly limiting the operation and safety via a criticality analysis step.A number of detailed example problems illustrate the potential of the proposed framework, while has also been implemented in the software prototype FRAMS.

Η διδακτορική διατριβή αυτή ασχολείται με το πρόβλημα της συστηματικής ενσωμάτωση κριτηρίων λειτουργικότητας στο σχεδιασμό και την λειτουργία βιομηχανικών εγκαταστάσεων και συστημάτων. Προτείνονται γενικά κριτήρια αλλά και υπολογιστικά εργαλεία-μέθοδοι για την ποσοτική αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της ευελιξίας, της αξιοπιστίας, της διαθεσιμότητας, της συντήρησης και της ασφάλειας σύνθετων συστημάτων και διεργασιών.Συγκεκριμένα, με βάση μαθηματικά/οικονομικά μοντέλα που περιγράφουν το σχεδιασμό και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος (σχεδιαστικές εξισώσεις, ισοζύγια μάζας και ενέργειας, θερμοφυσικές ιδιότητες κ.λπ.) την αβεβαιότητα των διεργασιών σχετικά με την ζήτηση των προϊόντων, τις διακυμάνσεις ροής, πίεσης, θερμοκρασίας, αποτελεσματικότητας διεργασίας κ.λπ., όπως και μοντέλα αξιοπιστίας (που περιγράφουν τη μείωση της λειτουργικότητας του εξοπλισμού σε συνάρτηση με το χρόνο), μοντέλα συντήρησης (που περιλαμβάνουν ένα σύνολο πιθανών στρατηγικών συντήρησης) και μοντέλα ασφάλειας (που περιλαμβάνουν ένα σύνολο κρίσιμων καταστάσεων λειτουργίας), αναφερόμενα όλα στον κύκλο λειτουργίας του συστήματος, έχει αναπτυχθεί ένα πρωτότυπο και ολοκληρωμένο πλαίσιο μεθοδολογίας και λογισμικού “FRAMS” που περιλαμβάνει:-Ποσοτικό προσδιορισμό (ως προς το χρόνο) της επίδρασης της αβεβαιότητας και της επιδείνωσης του εξοπλισμού στην απόδοση του συστήματος, μέσω της λειτουργικής βελτιστοποίησης του συστήματος.- Προσδιορισμό της οικονομικότερης στρατηγικής συντήρησης για την επίτευξη ενός επιθυμητού στόχου στην απόδοση του συστήματος, εντός καθορισμένου χρόνου λειτουργίας, βελτιστοποιώντας τη στρατηγική συντήρησης.- Προσδιορισμός κρίσιμων στοιχείων (εξοπλισμού, υποσυστημάτων) στο σύστημα που περιορίζουν κυρίως την εύρυθμη λειτουργία και την ασφάλεια, μέσω της ανάλυσης κρισιμότητας (Criticality Analysis).Η επίλυση ορισμένων παραδειγμάτων πραγματικών προβλημάτων, απεικονίζουν τις δυνατότητες του προτεινόμενου πλαισίου, ενώ παρουσιάζονται αναλυτικές εφαρμογές με βάση το πρωτότυπο λογισμικό FRAMS.