Постановка задачи
К числу основных свойств больших и сложных систем энергетики принадлежит надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность I выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости [65]. Как видно, понятие надежности формируется преимущественно применительно к функционированию систем.
Надежность развития систем энергетики — понятие более сложное, чем надежность функционирования таких систем. Если применительно к функционированию (эксплуатации) условия надежности находятся для заданной (или почти заданной) структуры системы, то надежность развития должна обеспечиваться при некоторой возможной совокупности ее структур, компоненты которой соответствуют отдельным периодам многолетнего развития системы. Видимо, в общем случае под надежностью развития можно понимать способность системы иметь такую структуру, которая при заданных ограничениях может в пределах влияния ряда негативных возмущений (изменяющихся условий) обеспечить требуемую надежность развития и функционирования системы с необходимой вероятностью. Свойство надежности развития систем тесно взаимосвязано с такими системными понятиями, как гибкость структуры и затраты на адаптацию [9].
Надежность СЦТ во многом определяется надежностью ее структуры, а также надежностью составляющих ее элементов — ТС и ИТ. Под структурой системы понимается состав ее элементов, их взаимосвязи, соотношение мощностей ИТ и пропускных способностей ТС в цепи производства, передачи и распределения теплоты. На этапе проектирования надежность СЦТ наиболее эффективно может быть повышена путем повышения надежности структуры СЦТ и создания резервов в ТС и ИТ. Поэтому в данной главе рассматриваются только эти два направления повышения надежности СЦТ.
Вопросы исследования и обеспечения оптимального уровня надежности СЦТ приобретают особо важное значение в связи с наметившимися тенденциями развития теплоснабжения в стране: расширением масштабов централизованного теплоснабжения, увеличением единичной мощности ИТ, применением атомных ИТ, увеличением протяженности транзитных и магистральных ТС и т.д. Нарушения работоспособности СЦТ из-за отказов ее элементов приводят к недоотпуску теплоты промышленным и коммунально-бытовым потребителям. В конечном итоге это обусловливает появление ущерба для народного хозяйства и ухудшение комфортных условий труда и быта населения. Очевидно, что указанные тенденции развития теплоснабжения могут существенно усугубить негативные последствия из-за ненадежности СЦТ. Однако повышение надежности СЦТ связано с дополнительными затратами. Из этого следует важность и необходимость экономического обоснования уровня надежности СЦТ.
Существенным шагом q создании предпосылок для определения показателей надежности СЦТ и ИТ на стадии их проектирования явилось включение в ГОСТы на основные агрегаты ИТ (паровые турбины, ядерные реакторы и некоторые типы котлоагрегатов) количественных показателей надежности (наработки на отказ, коэффициента готовности и др.) [66—68].
Однако методы расчета и оптимизации надежности при разработке и проектировании СЦТ и ее элементов ТС и ИТ еще не нашли должного применения. Основные нормативные документы Строительные нормы и правила в части проектирования тепловых сетей и котельных установок 11.3ак. 1398 161 и Нормы технологического проектирования тепловых электростанций ; не предусматривают определения показателей надежности проектируемых СЦТ, ТС и ИТ. В них на основе исторически сложившихся принципов и правил, но без технико-экономического обоснования даны, как правило, однозначные рекомендации по выбору величины резерва для основного и вспомогательного оборудования, а также по резервированию схемы ТС [34, 35, 58]. В настоящее время показатели надежности СЦТ, ее элементов (ТС и ИТ) определяются только на стадии их эксплуатации. Между тем основные решения, определяющие уровни надежности СЦТ, ТС и ИТ, принимаются на стадиях разработки и проектирования СЦТ, ТС и ИТ.
Успешное решение проблемы надежности СЦТ требует системного подхода к исследованиям надежности. Эти исследования в соответствии с принятой авторами иерархией систем (см. гл. 2, 4 и 6) целесообразно проводить на всех иерархических уровнях с последующим согласованием решений, полученных на разных уровнях. Например, оптимальный уровень надежности ИТ определяется соотношением затрат на повышение надежности собственно ИТ и затрат на увеличение резервной мощности в СЦТ и на другие мероприятия, обеспечивающие рост надежности системы теплоснабжения.
Надежность энергетического объекта любого типа (в том числе СЦТ) определяется: а) структурой объекта; б) резервами всех видов; в) надежностью элементов объекта; г) совершенством эксплуатации объекта. Следует подчеркнуть, что ни один из указанных факторов не в состоянии в отдельности обеспечить экономически обоснованный уровень надежности объекта. Поэтому необходимо комплексное рассмотрение проблемы обеспечения надежности объекта с привлечением всех возможных способов; важен выбор рационального вклада каждого способа в решение проблемы [20]. Для управления надежностью СЦТ на этапе проектирования решающее значение имеют три первых фактора.
На этапе проектирования повышение надежности энергетического объекта возможно за счет: разделения номинальной производительности агрегатов и элементов между агрегатами и элементами меньшей производительности и их нагрузочного резервирования; полного или частичного структурного резервирования агрегатов, вспомогательных систем и элементов; создания временных запасов рабочих тел и теплоносителей; функционального резервирования агрегатов или элементов объекта обводными линиями и др.
Главное в системном подходе к надежности энергетических объектов — следующее: все элементы и части объекта должны быть равнонадежными; имеет смысл затрачивать средства для повышения надежности указанными выше способами лишь для менее надежных элементов и частей объекта.
По способности энергетического объекта выполнять заданные функции в заданном объеме с точки зрения надежности возможно несколько технических его состояний (рис. 9.1). Переход объекта из одного состояния в другое происходит обычно вследствие отказов и восстановлений элементов.
К полному отказу работоспособности объекта приводит отказ работоспособности нерезервируемого элемента, участвующего в осуществлении основного технологического процесса, а также отказ работоспособности всех элементов, имеющих одинаковое функциональное назначение. Отказ работоспособности резервируемого элемента приводит лишь к частичному отказу работоспособности объекта. Восстановление отказавшего элемента при частичном отказе работоспособности объекта в зависимости от места его расположения в технологической схеме может производиться либо с сохранением объекта в частично рабочем состоянии, либо с переводом его в нерабочее состояние. Последний случай предполагает, что объект может работать с неполной нагрузкой, но для выполнения ремонта необходим его перевод в нерабочее состояние. Часто бывает целесообразна задержка вывода объекта в. ремонт до периода снижения нагрузки у потребителя.
Отрицательные последствия частичного отказа работоспособности энергетического объекта определяются не только величиной снижения мощности объекта AQ из-за отказа работоспособности какого-либо элемента, но и уровнем запланированной нагрузки объекта в период устранения отказа работоспособности. Поясним это на примере. На рис. 9.2 приведен график требуемой мощности Q(t) объекта. В момент времени tx возникает отказ оборудования, устранение которого длится в течение времени Тч. В результате этого отказа объект может развивать мощность не выше уровня Q4. Очевидно, что в течение времени Гг, когда требуемая мощность QT(t) меньше уровня Q4, объект полностью обеспечивает заданный график нагрузки и недовыработка отсутствует.
Методы общей теории надежности технических систем, используемые для построения математических моделей надежности СЦТ и ее элементов ИТ и ТС, должны учитывать все отмеченные особенности их проектирования и функционирования. Кроме того, выбор того или другого метода должен определяться точностью исходной информации, желаемой точностью получаемых решений, возможностью реализации метода на ЭВМ, возможностью построения экономических характеристик, отражающих зависимости типа затраты — повышение надежности, а также возможностью нормирования показателей надежности.
Для построения математических моделей надежности технических систем используются, как правило, аналитические методы и значительно реже — метод статистического моделирования. Укажем некоторые из аналитических методов, играющих важную роль в теории надежности.
Из группы аналитических методов достаточно широко используются методы, базирующиеся на аппарате марковских процессов [69—72]. Наиболее эффективно использование этих методов применительно к системам, у которых законы распределения времени безотказной работы и времени восстановления экспоненциальны. В этих случаях возможно достаточно просто получать характеристики надежности систем.
Широкое распространение получил также метод минимальных путей и минимальных сечений [70, 73]. Этот метод оказывается достаточно эффективным для оценки надежности систем со сложной структурой (каковой является СЦТ).
Надежность СЦТ и ее элементов может характеризоваться различными показателями [20, 70, 74]. Выбираемые показатели надежности СЦТ, ИТ и ТС должны учитывать следующее: СЦТ, ИТ и ТС являются сложными восстанавливаемыми объектами с длительными периодами эксплуатации; эффективность функционирования СЦТ, ИТ и ТС пропорциональна времени пребывания этих объектов в работоспособных состояниях; СЦТ, ИТ и ТС работают в режимах, определяемых потребителями теплоты. В соответствии с этим и в зависимости от иерархического уровня, на котором решается проблема надежности СЦТ, ИТ и ТС, используются следующие показатели надежности: комплексные — коэффициент обеспеченности продукцией, коэффициент готовности, коэффициент эффективного использования; единичные — вероятность безотказной работы, интенсивность и параметр потока отказов, среднее время восстановления; специальные — вероятность реализации объектом уровня располагаемой мощности и тд.
В настоящее время можно выделить два подхода к оптимизации надежности технических систем. Первый подход связан с определением экономически обоснованного уровня надежности системы по критерию минимума приведенных затрат. При этом исследуемая система рассматривается как элемент систем более высокого иерархического уровня и соответственно при формировании критерия экономической эффективности системы учитываются затраты не только собственно по исследуемой системе, но и изменения затрат по системам верхнего иерархического уровня. Это наиболее правильный подход, так как задача выбора уровня надежности технической системы в конечном счете задача технико-экономическая. Однако в ряде случаев встречаются трудности по учету эффектов и оценке затрат в вышестоящих иерархических системах.
Второй подход связан с определением оптимальных способов обеспечения надежности системы по критерию удовлетворения заданному (нормативному) уровню надежности. Такой подход используется при оптимизации надежности ответственных систем (например, для аварийных систем АЭС), а также отдельных подсистем при заданных для этих подсистем технических ограничениях. Этот подход целесообразен также в том случае, когда система рассматривается как элемент более общей системы (например, ИТ — элемент СЦТ), применительно к которой определяется (нормируется) целесообразный уровень надежности исследуемой системы. Тогда для исследуемой системы определяются оптимальные средства для достижения заданного уровня надежности.
Конкретизации изложенных общих методических подходов к оптимизации надежности СЦТ и ее подсистем посвящен последующий материал данной главы.
Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.
