Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ЗАДАЧА СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ

В гл. 4 рассмотрены экономико-математические модели оптимизации структуры СЦТ без учета фактора надежности. Вместе с тем, как указывалось в гл. 1, надежность является одним из важнейших свойств СЦТ. Учет этого свойства может существенно влиять на выбор оптимальной структуры и параметров СЦТ, что свидетельствует о необходимости учета надежности при решении задачи оптимального синтеза СЦТ (одновременного выбора структуры и параметров системы). Рассмотрим кратко основы теории надежности [4, 60] применительно к СЦТ.

Надежность СЦТ — это ее свойство при различных условиях функционирования и развития обеспечивать теплоснабжение потребителей в необходимых количествах с заданными параметрами.

Безотказность — свойство СЦТ непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени (отказом называется полная или частичная утрата работоспособности или снижение относительного уровня функционирования). Для СЦТ отказом является недопустимое снижение температуры воздуха в отапливаемых помещениях или нарушение технологического процесса вследствие недоот- пуска теплоты. При частичном отказе имеет место ограниченное и некачественное теплоснабжение, а при полном отказе потребитель лишается тепловой энергии.

Долговечность — свойство СЦТ и ее элементов сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (завершения жизненного цикла) при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Например, долговечность надземных трубопроводов тепловых сетей обычно выше, чем подземных, вследствие отсутствия электрокоррозии. Повышению долговечности подземных трубопроводов тепловых сетей способствуют катодная защита от коррозии, наличие гидроизоляции и дренажа для мокрых грунтов, увеличение толщины стенки и другие мероприятия.

Ремонтопригодность — свойство системы приспосабливаться к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Основным показателем ремонтопригодности элементов СЦТ является время их восстановления после внезапного отказа. Например, для трубопроводов тепловых сетей время восстановления снижается (повышается ремонтопригодность) при переходе от подземной прокладки к надземной, при уменьшении диаметра трубопроводов и расстояния между секционирующими задвижками. Если время восстановления отказавшего элемента СЦТ не превышает допустимого перерыва в теплоснабжении потребителей по условиям снижения температуры воздуха в отапливаемом помещении или требованиям технологического процесса, то нет необходимости в резервировании данного элемента.

Сохраняемость — свойство СЦТ и ее элементов (главным образом, оборудования) сохранять исправное состояние в течение и после хранения и транспортирования.

Устойчивоспособность — свойство системы непрерывно сохранять устойчивость в течение некоторого времени, т. е. способность возвращаться к установившемуся или близкому к нему режиму работы после различных возмущений.

Режимная управляемость — свойство системы поддерживать нормальный режим эксплуатации посредством управления (эта задача для СЦТ должна решаться с помощью АСУТП).

Живучесть — свойство системы противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением теплоснабжения потребителей. Каскадное развитие аварий имеет место тогда, когда одна авария порождает другую и т. д. (например, при аварии участка тепловой сети при открытом водоразборе имели место случаи, когда потребители при недотоке пытались «вызвать» горячую воду, одновременно открывая водоразборные краны, что, в свою очередь, приводило к опорожнению системы и авариям на водогрейных котлах).

Безопасность — свойство СЦТ и ее элементов не допускать ситуации, опасные для людей и окружающей среды (такие, как ямы с кипятком под асфальтом вследствие образования свищей в трубопроводах тепловых сетей при подземной прокладке и т. п.).

Известны следующие пути и средства повышения надежности СЦТ: 1) повышение качества элементов, из которых состоит система; 2) секционирование тепловых сетей для сокращения времени восстановления отказавшего участка сети; 3) резервирование — повышение надежности системы введением избыточности (дополнительных средств и возможностей сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций теплоснабжения потребителей); 4) техническое обслуживание — выполнение комплекса работ для поддержания работоспособности системы (систематическая диагностика состояния, поддержание благоприятных по условиям надежности режимов работы и т. д.); 5) ремонт — комплекс работ для восстановления работоспособности системы (текущий, капитальный или аварийный); 6) целенаправленное управление процессами — создание соответствующей системы управления (АСУТП).

Рассмотрим основные виды резервирования [22, 40].

Структурное резервирование предполагает использование избыточных элементов структуры СЦТ (резервных и дублирующих котлов, сетевых насосов, перемычек трубопроводов тепловых сетей и др.).

Функциональное резервирование — использование способности элементов СЦТ выполнять дополнительные функции при отказах других элементов (например, форсирование относительно нормального режима производительности источников теплоты и пропускной способности тепловых сетей в аварийных режимах).

Временное резервирование — использование избыточного времени (например, аккумулирующей способности тепловых сетей, баков-аккумуляторов и зданий при ликвидации аварии).

Информационное резервирование — использование избыточной информации (например, о загрузке тепловой сети перед отказом одного из ее участков).

Постоянное резервирование — резервные элементы участвуют в функционировании системы наравне о основными, т. е. находятся в состоянии нагруженного резерва (если мощность или пропускная способность резервных элементов СЦТ используется в нормальном режиме не полностью, то такой резерв называется облегченным).

Резервирование замещением — функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента (ненагруженный резерв).

Скользящее резервирование — разновидность резервирования замещением, при котором функции группы основных элементов системы могут выполняться одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент в данной группе (например, однотипный с основными резервный котел или насос).

Фиксированное резервирование — разновидность резервирования замещением, при котором функции основных элементов системы могут выполняться одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить только определенный отказавший основной элемент в данной группе (например, резервный котел или на- соо меньшей производительности при наличии разнотипных агрегатов).

В зависимости от исполнения и функционирования системы и их элементы бывают восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. Система является восстанавливаемой, если при возникновении отказа ее работоспособность может быть восстановлена путем проведения ремонта и технического обслуживания. Если система после отказа не подлежит или не поддается восстановлению в процессе эксплуатации, то она является невосстанавливаемой. СЦТ в целом и большинство ее элементов следует считать восстанавливаемыми. Функционирование восстанавливаемых систем в течение длительного периода времени представляет поток отказов и восстановлений, в промежутках которых осуществляется нормальная эксплуатация.

Рассмотрим основные свойства потоков отказов и восстановлений элементов СЦТ, составляющих простейшие пуассоновские потоки [60]. Эти потоки характеризуются ординарностью, стационарностью и отсутствием последействия.

Поток называется ординарным, если вероятность появления нескольких событий (отказов и восстановлений) за малый промежуток времени равна нулю.

Поток случайных событий называется стационарным, если вероятность наступления определенного их числа на заданном промежутке времени зависит от длительности этого промежутка, но не зависит от его смешения вовремени. Стационарность нарушается при старении элементов СЦТ, когда начинает резко возрастать интенсивность отказов. В этом случае элемент подлежит выводу из эксплуатации, поскольку его жизненный цикл заканчивается. Это дает основание для принятия предпосылки о стационарности потоков отказов и восстановлений для практических инженерных расчетов надежности СЦТ.

Поток случайных событий называется потоком без последействия, если эти события возникают независимо друг от друга. В этом случае неявно предполагается высокая живучесть системы за счет защиты от каскадного развития аварий.

Ординарные потоки без последействия называются пуассоновскими, а стационарные пуассоновские потоки — простейшими. Для простейших пуассоновских потоков вероятность безотказной работы р0 (t) за время t, принимаемая в качестве показателя надежности элемента СЦТ [60], подчиняется экспоненциальному закону р0 (t) = е~ш, где со — параметр потока отказов (частота отказов в единицу времени), год-1.

За расчетное значение времени t для СЦТ следует принимать длительность отопительного периода в долях года [60], что объясняется возможностью ремонта основных элементов системы в неотопительный период (в частности, проведения опрессовки тепловых сетей с целью выявления и ликвидации дефектов в трубопроводах).

Нахождение элементов СЦТ в состоянии отказа в течение аварийного ремонта приводит к недоотпуску тепловой энергии потребителям. Народнохозяйственные убытки, вызванные ненадежностью СЦТ, а также связанные с ней социальные (болезни и дискомфорт людей) и экономические нарушения называются ущербом от ненадежности.

Показатель надежности системы теплоснабжения [60] определяется по формуле, полученной в предположении о невосстанавливаемости элементов СЦТ:



Выбор состава нормируемых показателей надежности, учитываемых при оптимальном синтезе СЦТ, является дискуссионным вопросом (например, в работах [19, 32, 33, 57] учитываются ср, Я100 и Яф, в работе [60] — ср и СИст (0 и т. д.). В то же время из инженерных соображений ясно, что основным исходным показателем для нормирования является минимально допустимая температура воздуха в отапливаемом помещении tmn. Остальные показатели надежности в подавляющем большинстве зависят от min-

Кроме того, следует учитывать, что повышение избыточности системы путем введения дополнительных резервных элементов, увеличивая безотказность, снижает готовность системы (резервные элементы являются потенциальными источниками дополнительных отказов, хотя и делают более легкими последствия этих отказов). Поэтому при минимизации приведенных затрат с учетом ограничений надежности оптимальные технические решения будут соответствовать минимально целесообразной избыточности.

Влияние различных ограничений по надежности неодинаково (наряду с существенными — активными, имеются пассивные, не влияющие на результат оптимизации). Анализ показывает, что наиболее существенными являются детерминированные относительные лимиты отпуска теплоты в аварийной ситуации ср. Основными путями повышения надежности СЦТ являются секционирование и резервирование, оптимизация которых рассматривается ниже.

Юфа А. И., Носулько Д. Р./ Комплексная оптимизация теплоснабжения.— К.: Техника, 1988.

Экспертиза

на главную