Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013

Transkrypt

1 BADANIA USZKODZEŃ SYSTEMÓW CHŁODNICZYCH POLSKICH JEDNOSTEK RYBACKICH RESEARCH OF REFRIGERATION SYSTEMS FAILURES IN POLISH FISHING VESSELS Waldemar KOSTRZEWA, Grzegorz NICEWICZ Akademia Morska w Szczecinie Streszczenie: Temperatura jest podstawowym parametrem klimatycznym decydującym o zmianie jakości produktów połowu. Czas, po którym zmiany jakościowe złowionej ryby nie wykraczają poza założony, dopuszczalny zakres, jest przede wszystkim funkcją temperatury. Podstawowym środkiem technicznym pozwalającym na przedłużenie czasu transportu jest obniżenie temperatury ładowni za pomocą instalacji chłodniczej. Uszkodzenia instalacji chłodniczych jednostek rybackich wywierają negatywny wpływ na środowisko naturalne w związku z emisją szkodliwych czynników. W pracy przedstawiono wyniki badań uszkodzeń instalacji chłodniczych polskich jednostek rybackich w latach Rezultaty analiz przedstawionych w niniejszej pracy mogą być podstawą do sporządzenia wytycznych zarówno dla projektantów jak i eksploatatorów okrętowych systemów chłodniczych. Słowa kluczowe: uszkodzenia, statki rybackie, systemy chłodnicze 1. WSTĘP Osiągnięcie współcześnie konkurencyjnego poziomu efektywności produkcji jest mocno powiązane z zapewnieniem odpowiedniego poziomu utrzymania maszyn. Obecnie głównymi problemami do rozwiązania w dziedzinie eksploatacji są wyższa jakość produkcji, większa niezawodność i gotowość systemów produkcyjnych, optymalizacja kosztów, właściwy dobór strategii i procedur obsługi i napraw. Dodatkowym aspektem jest ograniczenie szkodliwego wpływu na środowisko naturalne i koszty z tym związane. Dotyczy to również jednostek rybackich polskiej floty przybrzeżnej, na których skoncentrowano się w niniejszej pracy. W Akademii Morskiej w Szczecinie zrealizowano i realizuje się szereg projektów unijnych związanych z modernizacją jednostek łowczych i ograniczeniem ich negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Ich celem jest m.in. stworzenie bazy danych i zebranie jak największej ilości danych pomiarowych umożliwiających sporządzenie charakterystyk napędowych oraz wyznaczenie wiarygodnych zależności matematycznych opisujących związki funkcyjne układów energetycznych statków rybackich. Zebrane dane pomiarowe podczas normalnej eksploatacji jednostek pozwolą określić emisję szkodliwych składników spalin, wycieków gazów chłodniczych itp. Duża ilość i różnorodność jednostek łowczych wymaga typowania jednostek, których układ napędowy jest najczęściej spotykany w polskiej flocie przybrzeżnej. Oczywiście zakłada się wykonanie pomiarów na możliwie największej populacji badanych obiektów. Dla każdej wytypowanej jednostki przygotowana jest aparatura i oprzyrządowanie pozwalające wykonać cykl pomiarowy. Ze względu na szeroki zakres prowadzonych badań na potrzeby artykułu ograniczono się do analizy uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich. Uszkodzenia te wiążą się bardzo często z emisją szkodliwych czynników. Należy pamiętać, że temperatura jest podstawowym parametrem klimatycznym decydującym o zmianie jakości produktów połowu. Czas, po którym zmiany jakościowe złowionej ryby nie wykraczają poza założony, dopuszczalny zakres, jest przede wszystkim funkcją temperatury. Poza przechowywaniem w

2 kontenerach przesypanych lodem łuskowym stosowane są dodatkowe środki techniczne pozwalające na przedłużenie czasu transportu. Podstawowym jest obniżenie temperatury ładowni za pomocą instalacji chłodniczej. Instalacje chłodnicze jednostek rybackich wywierają podobny wpływ na środowisko naturalne jak urządzenia chłodnicze stosowane w pozostałych działach gospodarki. Przyjmując zasadę szacowania kosztów urządzenia w całym okresie jego istnienia, należy stwierdzić, że wpływ na środowisko występuje we wszystkich etapach istnienia instalacji, od chwili produkcji jej elementów, poprzez montaż, uruchomienie, eksploatację, naprawy, wyłączenie z ruchu i likwidację. Zasadnicze składniki wpływu na środowisko to zubożenie warstwy ozonu w jonosferze, emisja gazów cieplarnianych, wytwarzanie smogu w najniższych warstwach atmosfery, zmiana kwasowości gleby i wody oraz eutrofizacja zbiorników naturalnych. W wyniku międzynarodowych działań branża chłodnicza próbuje ograniczyć swój szkodliwy wpływ na środowisko naturalne poprzez wprowadzanie nowych ziębników i rozwiązań instalacji chłodniczych. Zintegrowane podejście do problemu obejmuje: wybór rozwiązania instalacji i dobór ziębnika; wybór procedur odpowiedzialnego użytkowania ziębnika; wprowadzenie technologii obniżających przecieki i podwyższających sprawność instalacji; promocję aktualnej wiedzy i szkolenie personelu odpowiedzialnego za projektowanie i obsługę; prognozowanie i szacowanie ewentualnych uszkodzeń elementów systemów chłodniczych w celach zapobiegawczych i naprawczych. Zagadnienia te pozostają w centrum zainteresowania ośrodków odpowiedzialnych za wprowadzanie proekologicznych rozwiązań w chłodnictwie. 2. LOKALIZACJA I PODZIAŁ JEDNOSTEK RYBACKICH W POLSCE Polskie statki rybackie, poławiające w oparciu o porty zlokalizowane na polskich wodach morskich stanowią liczną grupę 914 jednostek zarejestrowanych jako czynne statki rybackie. Są to jednostki zróżnicowane wiekowo, o różnych wielkościach i różnym zaawansowaniu technicznym. Także usytuowanie tych jednostek jest nierównomierne wzdłuż polskiego wybrzeża. W tabeli 1 zestawiono ilości statków rybackich zarejestrowanych w największych polskich portach rybackich. Tabela 1 Ilość statków rybackich w największych polskich portach rybackich (dane z roku 2007) [3] 1 Ustka 86 7 Trzebież Szczecińska 36 2 Władysławowo 80 8 Świnoujście 34 3 Kołobrzeg 65 9 Dziwnów 28 4 Jastarnia Kuźnica Morska 30 5 Darłowo Piaski 27 6 Łeba 37 Z uwagi na specyfikę pracy poszczególnych rodzajów jednostek łowczych powszechnie stosowany jest podział ze względu na wielkość tych obiektów. Za podstawę oceny wielkości jednostki przyjęto jej długość całkowitą. Wydzielono poniższe grupy w oparciu o długość całkowitą jednostek: jednostki o długości całkowitej do 7 m, jednostki o długości całkowitej 7-9 m, jednostki o długości całkowitej 9-10 m, jednostki o długości całkowitej m, 2

3 jednostki o długości całkowitej m, jednostki o długości całkowitej m, jednostki o długości całkowitej powyżej 30 m. Zgodnie z obowiązującym nazewnictwem nazwą statek rybacki objęte są wszystkie jednostki łowcze, niezależnie od ich wielkości. Jednakże zachowuje się także dawniejszy podział na łodzie rybackie otwarto i zamknięto pokładowe i kutry rybackie. Do pierwszej grupy zaliczane są jednostki o długości całkowitej nie przekraczającej 15 metrów. Większe jednostki łowiące na Bałtyku przyjęto określać jako kutry. W grupy jednostek 1 do 4 stanowią łodzie rybackie, operujące w niewielkiej odległości od brzegu i korzystające głównie z biernych urządzeń połowowych. Jednostki te nie będą rozpatrywane w niniejszej pracy, ze względu na mniejszy stopień nasycenia urządzeniami technicznymi. Zebrane w pozostałych grupach jednostki operują na łowiskach stosując bierne i czynne narzędzia łowcze. 3. DANE EKSPLOATACYJNE O USZKODZENIACH INSTALACJI CHŁODNICZYCH JEDNOSTEK RYBACKICH Na potrzeby badań dane zastały zebrane podczas eksploatacji wybranych jednostek. Wykorzystano dwa główne źródła do ich gromadzenia. Pierwsze źródło stanowią informacje pozyskane od armatorów, eksploatatorów jednostek i firm naprawczych w formie ankiet i wywiadów dla wytypowanych jednostek w poszczególnych latach (projekty realizowane w Akademii Morskiej). Utworzono w ten sposób na podstawie kart ewidencji bazę danych w ramach projektu: Opracowanie wytycznych do modernizacji jednostek rybackich w aspekcie zmniejszenia nakładów energetycznych i oddziaływania na środowisko. Informacje w bazie uzupełniono w następnych projektach: Zastosowanie paliw pochodzenia roślinnego w rybackich jednostkach pływających oraz Zmniejszenie zużycia paliwa i obniżenie toksyczności gazów wylotowych silników rybackich jednostek pływających, a także przy okazji licznych spotkań z armatorami i eksploatatorami oraz z informacji od firm naprawczych. Posłużyło to do stworzenia statystyki opisowej i sporządzania diagramów macierzowych przy probabilistycznym określaniu prawdopodobieństwa występowania uszkodzeń elementów systemów chłodniczych jednostek rybackich. Drugie źródło stanowi dokumentacja eksploatacyjna każdej wytypowanej jednostki, uwzględniająca przeglądy, remonty i naprawy bieżące w latach Z dokumentacji eksploatacyjnej wyodrębniona została dokumentacja dotycząca wyłącznie elementów systemów chłodniczych jednostek rybackich i zapisana w postaci arkuszy kontrolnych z podziałem na lata. Arkusze te posłużyły do opracowania wiarygodnych zależności matematycznych opisujących uszkodzenia elementów systemów chłodniczych. 4. ANALIZA ZEBRANYCH DANYCH I ILOŚCIOWY OPIS USZKODZEŃ SYSTEMÓW CHŁODNICZYCH JEDNOSTEK RYBACKICH Stosowanie urządzeń, instalacji, osprzętu przeznaczonych do chłodnictwa wymaga doświadczenia i umiejętności ich eksploatacji. Właściwą eksploatację urządzeń chłodniczych z minimalną liczbą awarii zapewnia wykwalifikowana obsługa oraz stosowanie materiałów i elementy wyposażenia odpowiedniej jakości. Jednak mimo stałego wzrostu niezawodności systemów chłodniczych nie sposób zapobiec wszystkim uszkodzeniom [6, 7]. Należy więc odpowiednio prognozować ich powstawanie, aby uniknąć sytuacji, w których ich uszkodzenie wpłynie na zahamowanie pracy całego obiektu. Na podstawie danych zebranych podczas badań (lata ) stwierdzono, że najczęstszymi uszkodzeniami systemów chłodniczych są: nieszczelności instalacji ziębniczych i związane z nią wycieki czynnika chłodniczego, 3

4 uszkodzenia sprężarek urządzeń chłodniczych, uszkodzenia wymienników ciepła (skraplaczy i parowaczy), uszkodzenia układów sterowania, uszkodzenia wentylatorów, uszkodzenia pomp wody, solanki i oleju, uszkodzenia układów odszraniania. Przykłady uszkodzeń elementów systemów chłodniczych pokazano na rys. 1. Rys. 1. Przykłady uszkodzeń elementów systemów chłodniczych Uszkodzenia podzielono więc na siedem głównych kategorii (wg. powyższego układu). Zebrano i zanalizowano 235 uszkodzeń systemów chłodniczych dla 25 kutrów floty rybackiej z terenów Polski rozmieszczonych w portach zachodniego, środkowego i wschodniego wybrzeża. Analizie poddano dwa typy kutrów uwzględniając za kryterium podziału rodzaj czynnika chłodniczego (tabela 2): 1. kutry oznaczone w pracy jako X stanowią jednostki, w których jest używany czynnik chłodzący starego typu z grupy hydrochlorofluorokarbonów (HCFC), 2. kutry oznaczone jako Y to kutry, w których zmodernizowano urządzenia chłodzące (lub są przystosowane oryginalnie) do używania czynników chłodzących zamiennych dla hydrochlorofluorokarbonów (HCFC) oraz chlorofluorokarbonów (CFC). 4

5 Tabela 2 Dane dotyczące uszkodzeń elementów systemów chłodniczych z podziałem na siedem kategorii dla kutrów typu X i Y w latach CHARAKTERYSTYKI OPISOWE DLA ZMIENNEJ CZĘSTOŚĆ USZKODZEŃ SYSTEMÓW CHŁODNICZYCH NA KUTRACH W LATACH Do badań statystycznych [1, 2, 4, 5] uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich w latach określono następujące zmienne: zależne: liczba uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich, częstość uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich, która jest ilorazem liczby uszkodzeń do ilości kutrów rybackich; niezależne: lata , kategoria uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich, przyjęto 7 kategorii oznaczonych kolejnymi liczbami naturalnymi, rodzaj jednostki rybackiej- określono dwa rodzaje kutrów X (16 kutrów) oraz Y (9 kutrów). Dla zmiennych liczba uszkodzeń oraz częstość uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich sporządzone zostały histogramy zamieszczone na rys. 2 i 3. Widać z nich, że dla zmiennej liczba uszkodzeń najwięcej było obserwacji z liczbą uszkodzeń od 0 do 3, a najmniej z 9-10 uszkodzeniami. Jeżeli weźmiemy pod uwagę częstość uszkodzeń, to najwięcej jest obserwacji dla częstości z przedziału od 0 do 0,2, natomiast najmniej od 0,8 do 1. Oznacza to, że najczęściej jest niewielka liczba uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich z niedużą częstotliwością występowania uszkodzeń tych systemów. 5

6 Liczba obserwacji Liczba uszkodzeń Rys. 2. Histogram liczby uszkodzeń w latach Liczba obserwacji ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Częstość uszkodzeń Rys. 3. Histogram częstości uszkodzeń w latach Następnie zostały obliczone parametry statystyki opisowej: średnia arytmetyczna, mediana, moda oraz liczność mody, minimum, maksimum, odchylenie standardowe oraz współczynnik zmienności dla tych zmiennych. zostały one zamieszczone w tabeli 3. Zmienna liczba uszkodzeń przyjmuje wartości od 0 do 10, ze średnią powyżej 3 uszkodzeń, ale z dużym odchyleniem 2,66, co oznacza 80% współczynnik zmienności. Najczęściej (12 razy) liczba uszkodzeń wynosi 1, natomiast wartość środkowa (mediana) jest zbliżona do średniej i wynosi 3. Natomiast zmienna częstość uszkodzeń przyjmuje wartości od 0 do 0,89, ze średnią wynoszącą 0,29, odchylenie standardowe również jest duże 0,24, co stanowi 84% wartości 6

7 średniej. Najczęściej (9 razy) częstość uszkodzeń wynosi 0, natomiast wartość środkowa (mediana) jest mniejsza od średniej arytmetycznej i wynosi 0,22. Tabela 3 Statystyki opisowe dla poszczególnych zmiennych dotyczących uszkodzeń systemów chłodniczych jednostek rybackich Wyszczególnienie Średnia Mediana Moda Liczność mody Minimum Maksimum Odchylenie standardowe Współczynnik zmienności Liczba uszkodzeń 3, ,66 80% Częstość uszkodzeń 0,29 0, ,89 0,24 84% 6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Wprowadzane zmiany dotyczące wymogów ekologicznych obejmują również jednostki rybackie, ze względu na oddziaływanie na atmosferę wynikające z ich eksploatacji. Występuje szereg awarii i uszkodzeń jednostek rybackich, a szczególnie uszkodzeń ich systemów chłodniczych. Dlatego bardzo ważne są badania występowania tych uszkodzeń w celach zapobiegawczych, między innymi przez analizę statystyczną, która umożliwia określenie z jakim prawdopodobieństwem mogą one występować. Ze względu na objętość pracy nie przytoczono tu całości przeprowadzanych analiz uszkodzeń instalacji chłodniczych jednostek rybackich (m. in. analizy macierzowej, Pareto-Lorentza, Ishikawy), a ograniczono się jedynie do charakterystyk opisowych. Wnioski wynikające z tychże analiz mogą być podstawą do sporządzenia wytycznych zarówno dla projektantów jak i eksploatatorów okrętowych systemów chłodniczych. Poziom zużycia energii przez instalacje chłodnicze jest jednym z najważniejszych parametrów określających wpływ branży chłodniczej na poziom ocieplenia klimatu. W związku z tym obserwuje się szereg tendencji zmierzających do minimalizacji emisji i maksymalizacji efektywności energetycznej celem obniżenia wskaźnika TEWI. Dominujące zjawiska to: preferencyjny wybór ziębników uznanych za ekologiczne, takich jak naturalne węglowodory, amoniak i dwutlenek węgla, doskonalenie procedur obsługi instalacji, redukcja bezpośredniej emisji ziębników z instalacji, redukcja masy ziębnika znajdującego się w instalacji, podwyższenie standardów wytwarzania i montażu urządzeń i instalacji chłodniczych, zmiana konstrukcji urządzeń i instalacji celem podwyższenia sprawności chłodniczej. 7. LITERATURA [1] Bobrowski D.: Modele i metody matematyczne teorii niezawodności. WNT, Warszawa [2] Bobrowski D.: Probabilistyka w zastosowaniach technicznych. WNT, Warszawa [3] Główny Urząd Statystyczny: Transport wyniki działalności w roku Informacje i opracowania statystyczne. Warszawa [4] Stanisz A.: Przystępny kurs statystyki. Tom 1: Statystyki podstawowe. StatSoft, Kraków [5] StatSoft Statistica 8.0, Podręcznik elektroniczny STATISTCA. [6] Zakrzewski B., Konieczny P., Kędzierska K.: Awarie urządzeń chłodniczych chłodniowców a zagrożenia dla załóg i środowiska. IX Konferencja Naukowo- 7

8 Techniczna Bezpieczeństwo morskie i ochrona naturalnego środowiska morskiego, Koszalin-Kołobrzeg [7] Matuszak Z.: Particular reliability characteristics of two element parallel technical (mechatronic) systems. Management Systems in Production Engineering. 2012, No 3 (7), pp