Теория надежности и теплоэнергетические системы

Для развития теплоэнергетики СССР в настоящее время характерно создание крупных систем теплоснабжения с использованием в качестве источника мощных ТЭЦ со значительной концентрацией потребления тепла и разветвленными транспортными связями. В состав этих систем входят потребители тепла, тепловые сети, источники тепла. Если источником тепла является ТЭЦ, в сферу рассматриваемых вопросов неизбежно вовлекается и электроэнергетическая система (ЭЭС).

Любое нарушение нормального функционирования таких систем приводит к значительным отклонениям в материальной и бытовой сферах. При использовании общих зависимостей теории надежности обязательным является учет некоторых характерных для теплоэнергетических систем особенностей.

1. Почти полное отсутствие массовой информации о случайных отказах и принципиальная невозможность стендовых испытаний системы в целом и даже отдельных ее элементов. Отсюда вытекает невозможность использования статистических методов, применяемых в других отраслях промышленности [591.

2. Системы теплоснабжения являются непрерывно развивающимися комплексами. Поэтому все проблемы, связанные с надежностью, должны решаться в динамике, т. е. во времени с учетом изменения всех влияющих факторов [44, 451. Это выражается в изменении уровней теплопотребления, стоимостных показателей основных фондов, показателей экономичности по мере развития системы во времени. Цикличность функционирования систем теплоснабжения определяет изменение режимов ее работы во времени с учетом климатических и технологических факторов.

3. Задача надежности в системах теплоснабжения является частью общей технико-экономической задачи оптимизации их развития. При правильном учете фактор надежности является таким же определяющим элементом, как капиталовложения и эксплуатационные расходы, оказывая непосредственное влияние как на те, так и на другие. По общепринятой классификации [341 рассмотрим вопросы, связанные с системной надежностью в развитии и эксплуатации специализированных (отраслевых) ЭЭС.

Под системной надежностью понимают свойство системы нормально функционировать или способность системы к бесперебойному снабжению потребителя энергией необходимого качества. Системная надежность определяется:

совершенством структуры системы и средств управления ею;

надежностью элементов системы (оборудования);

уровнем эксплуатации и ремонтного обслуживания.

Каждый из перечисленных факторов может, в свою очередь, определяться другими факторами, зависящими от надежности конструктивных решений, качества изготовления и монтажа оборудования и линейных элементов системы, соблюдения правил ее технической эксплуатации.

Следовательно, надежность теплоэнергетических систем должна рассматриваться как технико-экономическая задача. Поэтому оптимальная надежность системы — это выбор предельного уровня некоторой величины, дальнейшее повышение которой экономически нецелесообразно. Важно отметить, что один и тот же уровень надежности может достигаться за счет двух основных направлений совершенствования систем.

1. Повышение надежности элементов системы (оборудования) при максимально возможном упрощении ее структуры. При этом наряду со статистическими вероятностными методами анализа необходимо глубоко исследовать физико-химические процессы, протекающие в различных элементах оборудования, свойства применяемых материалов и влияние эксплуатационных воздействий [59]. Реализация этих возможностей требует обширных экспериментальных исследований, наличия многолетних статистических достоверных данных.

2. Повышение надежности системы (при ограниченной надежности элементов) за счет улучшения ее структуры. Известно, что из ненадежных элементов за счет надежного их сочетания можно составить систему с заданной степенью надежности. Заданная степень в этом случае достигается ценой соответствующих затрат. Такая постановка задачи дает принципиальную возможность теоретического предвидения надежности того или иного варианта структуры схемы. При этом переходим из области полной неопределенности исходной информации в область вероятностной логики и синтеза надежных систем из ненадежных элементов с использованием аппарата теории вероятности и теории надежности. Ожидаемые результаты могут быть получены уже в настоящее время на основании разработанной методики расчетов с применением ЭЦВМ. Однако следует уделять внимание анализу аварийности оборудования, систематизации и классификации случайных отказов, выявлению зависимостей между стоимостью оборудования и его надежностью.

В дальнейшем теплоэнергетическую систему будем представлять состоящей из двух звеньев: источника тепла — ТЭЦ—и устройств трубопроводного транспорта тепла — тепловых сетей. В зависимости от технологических функций эти звенья имеют некоторые принципиальные отличия, в связи с чем их необходимо рассматривать отдельно.

Применительно к тепловой схеме ТЭЦ как источнику теплоснабжения исследование надежности основывается на следующих соображениях. Действующие нормы проектирования, типовые проекты, накопленный опыт эксплуатации дают возможность построить схему ТЭЦ или котельной, которые успешно эксплуатируются. Опираясь на повышение надежности отдельных элементов схемы, можно исключить из состава ТЭЦ некоторые элементы, предназначавшиеся для резервирования наименее надежных ее звеньев. В настоящее время на базе изучения наиболее прогрессивного опыта эксплуатации, повышения уровня изготовления и монтажа отдельных элементов схемы возможно коренное сокращение резерва как по вспомогательному, так и по основному оборудованию. Для осуществления этого необходимо обоснованно и строго оптимизировать тепловую схему ТЭЦ с учетом критериев надежности.

В настоящее время резервирование элементов тепловой схемы как с количественной, так и с качественной стороны не всегда является оптимальным. По этой же причине сама структура тепловых схем зачастую не обеспечивает максимальной надежности эксплуатации при минимальных капиталовложениях. Поэтому возникает необходимость постановки задачи, в которой можно было бы оценить:

а) уровень надежности схемы ТЭЦ (котельной) в зависимости от графика тепловой нагрузки при максимальном укрупнении единичных мощностей основного оборудования;

б) необходимую степень укрупнения и резервирования основного и вспомогательного оборудования, исходя из заданного уровня надежности всей системы;

в) степень надежности структуры тепловых схем с учетом эксплуатационных и ремонтных требований.

При этом появляется возможность более строго решить такие вопросы:

а) выбор количества и единичной производительности котлоагрегатов, исходя не только из принципов максимального укрупнения типоразмеров, обеспечения заданных тепловых нагрузок и других нормативных требований, но и на основе анализа надежности различных систем котлоагрегатов;

б) выбор количества и производительности питательных насосов, а также необходимого для них резерва;

в) установка на ТЭЦ резервных конденсатных, циркуляционных и других насосов;

г) выбор количества и теплопроизводительности различных теплообменных аппаратов, включая сетевые подогреватели;

д) построение развернутых тепловых схем;

е) необходимость дублирования крупного вспомогательного оборудования котлоагрегатов (дымососы, вентиляторы).

Жизнь системы или ее элементов можно представить состоящей из следующих этапов: проектирование, изготовление элементов системы и ее монтаж, эксплуатация.

Уровень проектирования следует признать наиболее важным и определяющим. При проектировании любой системы, предназначенной для промышленной эксплуатации, необходимо принимать во внимание определенный уровень надежности серийно изготавливаемых элементов и достигнутый уровень эксплуатации аналогичных систем, Таким образом, проектирование суммирует показатели надежности на указанных трех уровнях. Это положение подтверждает приведенную формулировку предмета исследования надежности. В самом деле, как бы ни был низок уровень изготовления, монтажа и эксплуатации системы, можно запроектировать достаточно надежный организм ценой соответствующих затрат.

С точки зрения теории надежности, тепловая схема ТЭЦ и вообще энергетическая система — это объект, который отличается принципиальной недостаточностью статистической информации. Принципиальный характер недостаточности статистической информации определяется следующими причинами [34, 59].

1. Множество внешних и внутренних факторов, влияющих на надежность элементов тепловой схемы (наружная температура воздуха, параметры среды, при которых работает элемент, режим работы элемента, уровень эксплуатации и монтажа), не позволяют достаточно точно определить причину отказа. Поэтому данные, даже при наличии многочисленных сведений об отказах различных элементов схемы за определенный период эксплуатации, не могут быть сопоставлены между собой.

2. Учитывая большое многообразие ТЭЦ, невозможно создать эталонные условия, отклонения от которых фиксировались бы как снижение надежности эксплуатации.

3. Отбрасывая возможные грубые ошибки при проектировании, не представляется возможным, даже имея большое количество информации о снижении надежности, достаточно точно выделить ту ее часть, которая связана с этими ошибками. Поэтому точно определить абсолютную надежность схемы невозможно. Вместе с тем, используя современные математические и экономические методы, можно достаточно точно определить сравнительную надежность рассматриваемых систем.

Как известно, ТЭЦ является источником двух видов энергии: электрической и тепловой. Современное положение с обеспечением потребителей тепловой и электрической энергией диктуется коренными физическими и экономическими особенностями, присущими этим видам энергии, и сводится к следующему: потребители электрической энергии могут быть резервированы, потребители тепловой — не могут. При этом надежность электроснабжения обеспечивается совокупностью различных источников, теплоснабжения — данным рассматриваемым источником. Исключение составляют отдельные случаи частичного резервирования дальних ТЭЦ пиковыми котельными у потребителя. Учитывая роль ТЭЦ в энергосистемах и вышеизложенное, можно сказать, что снижение выдачи электрической мощности для ТЭЦ, работающих в энергосистеме, допустимо и может быть скомпенсировано, а снижение выдачи тепловой мощности от ТЭЦ не допустимо и не может быть скомпенсировано. Следовательно, элементы схемы, связанные с отпуском электроэнергии, не должны обладать начальной избыточностью, т. е. заведомым превышением каких-либо свойств над минимально необходимыми. Элементы схемы, связанные с отпуском тепловой энергии, должны обладать начальной избыточностью. Элементы схемы, связанные с выдачей как электрической, так и тепловой энергии, должны обладать избыточностью, обеспечивающей заданную степень надежности отпуска тепла. Задача анализа надежности тепловых схем может быть сформулирована следующим образом. Необходимо найти для заданного вида, уровня и графика тепловых и электрических нагрузок такой из многих вариантов реализации тепловой схемы ТЭЦ, в котором единичные производительности, число единиц основного и вспомогательного оборудования, число единиц арматуры и линейные связи были бы оптимальны, с точки зрения количественных и экономических показателей надежности. При этом нормативная надежность по теплоснабжению обеспечивается избыточностью схемы. Отсюда вытекают два основных этапа работы.

1. Составление всех возможных проектных схем, каждая из которых с различными степенью избыточности, набором основного и вспомогательного оборудования, линейными связями между оборудованием и расстановкой арматуры обеспечивает заданные тепловые и электрические нагрузки.

2. Выбор из всех предложенных схем такой, которая будет обладать оптимальной надежностью.

Надежность любой системы периодически приводит к нарушению ее функционирования. Нарушение функционирования, в свою очередь, всегда связано с определенным экономическим ущербом, а степень надежности системы определяется начальными затратами. Совокупность начальных затрат, определяющих надежность системы, и экономического ущерба, определяемого ненадежностью системы, позволяют исследовать экономическую интерпретацию задачи надежности теплоэнергетических систем для определения сравнительной эффективной надежности. В качестве критериев надежности используют такие показатели, как объем выполненной работы, производительность, стоимость продукции, издержки производства [83]. Применение этих показателей обусловлено особенностями различных отраслей промышленности, установившимися традициями и методикой. Необходимая связь показателей надежности и экономичности определяется следующими причинами. Создание «абсолютно» надежной схемы принципиально невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому ставится задача нахождения такой схемы из многих предложенных, в которой повышение избыточности (которое, естественно, достигается за счет увеличения капитальных вложений) компенсировалось бы увеличением эффективности за счет повышения надежности и уменьшения издержек.

Учет стоимости ущербов у потребителей от перерывов в электро- и теплоснабжении не может приниматься в основу оценки эффективной надежности по следующим причинам [33, 34].

1. Ущерб не может быть точно определен для всех отопительно-вентиляционных и некоторых других потребителей, так как он носит не экономический, а социологический характер.

2. Величина ущерба в большой степени зависит от конкретной производственной структуры потребителей.

3. Ущербы существенно отличаются для различных последствий аварийных отказов в энергосистеме: недоотпуск продукции, порча сырья, непосредственные потери теплоносителя и др.

4. Невозможность соизмерения ущербов, определяемых по отпускным ценам промышленности, с оптимизацией энергетических систем по расчетным затратам.

Ущерб от снижения отпуска энергии можно оценивать и находить возможности сопоставления его с расчетными затратами [33]. Рассмотрим эти положения применительно к тепловой схеме ТЭЦ. Эта система является не глобальной, а локальной. В связи с локальностью системы по теплоснабжению (невозможностью ее резервирования) в тепловую схему ТЭЦ закладывается начальная избыточность, которая обеспечивает отсутствие ущерба по теплоснабжению во всех режимах годового цикла, за исключением весьма кратковременного (50—100 ч) максимума наружных температур. Поэтому отпадает необходимость определения ущерба от перерыва в теплоснабжении. Делокализация тепловой схемы ТЭЦ по надежности электроснабжения ограничивается энергосистемой, в которой она работает. Это значит, что при отказе на ТЭЦ потребитель не будет терпеть ущерба в электроснабжении, так как возможный дефицит будет обеспечен из энергосистемы. Ущерб в системе ТЭЦ будет в этом случае определяться снижением выработки электроэнергии на тепловом потреблении, привлечением средств для ликвидации последствий отказа и т. д. Экономические последствия отказа будут локализованы в комплексе ТЭЦ — энергосистема. Все возможные последствия отказов могут быть выражены в единых денежных единицах и приведены к расчетным затратам. Таким образом, при рассмотрении тепловой схемы ТЭЦ понятие ущерб имеет определенный физический и экономический смысл и может быть введено в состав приведенных расчетных затрат.

Для применения теории надежности к теплоэнергетическим системам введем следующие понятия.

Элемент системы — комплексное устройство (котел, турбина, насос, регулятор, арматура), выход которого из строя при определенных режимных условиях приводит к отказу всей системы.

Отказ элемента системы — нарушение его функций, влекущее за собой исключение данного элемента из функционирования системы на тот или иной срок. Это незапланированное, случайное событие, эквивалентное в практике эксплуатации аварийному состоянию.

Отказ системы “ любое снижение тепловой или электрической мощности ниже значения, заданного для данного режима вследствие отказа какого-либо элемента.

Поток отказов (в соответствии с теорией надежности) — последовательность отказов, происходящих один за другим в случайные моменты времени. В связи с отсутствием апробированных моделей отказов принимается, что поток отказов простейший. Тем самым предполагается наличие трех основных условий простейшего потока: отсутствие последствия, ординарность, стационарность.

Одной из основных технологических особенностей тепловой схемы ТЭЦ является возможность выхода из строя одного из элементов без существенного влияния на работу остальных. Это достигается секционированием участков схемы и возможностью надежного отключения отказавшего элемента. Таким образом, взаимная независимость отказов, т. е. отсутствие последствия практически полностью соблюдаются в работе рассматриваемых систем. Соблюдение второго условия простейшего потока является менее очевидным. Однако практика эксплуатации энергоустановок показывает, что выход из строя более одного элемента маловероятен. Поэтому второе условие также может быть принято априорно. Для выполнения третьего условия предполагается экспоненциальный закон распределения отказов во времени. При экспоненциальном законе вероятность безотказной работы на данном интервале (0 < т <; t) не зависит от времени предшествующей работы (0 — т), а зависит только от длины интервала Дт. Иначе говоря, если известно, что в данный момент элемент исправен, то будущее его поведение не зависит от прошлого. Пользуясь экспоненциальным законом, строго говоря, нельзя учесть старение элемента и вообще влияние фактора времени, но можно значительно упростить все расчеты.

Распространив экспоненциальный закон распределения на весь период жизни данной системы, можно получить картину, достаточно приближенную к истинной.

Все факторы, влияющие на возникновение отказов, могут быть разделены на случайные и причинные. Условно к случайным можно отнести колебания параметров пара и воды, заводские и монтажные дефекты, браки при выполнении строительно-монтажных работ, ошибки при эксплуатации и другие, к причинным — общий уровень изготовления и монтажа элементов схемы, сроки монтажа, климатические условия района строительства, состав оборудования и т. д. Строгая граница между ними не существует. Разделение на указанные две группы позволяет упорядочить расчеты и, кроме того, представить исходные опорные уровни надежности системы.

Исследование должно вестись для какого-либо наперед заданного расчетного периода, в качестве которого принимается один год жизни системы. Аналогично должны быть заданы средние времена жизни и восстановления для каждого элемента системы в детерминированной или вероятностной форме. Для элементов тепловой схемы ТЭЦ, как и для многих других технических устройств, периодичность капитальных и текущих ремонтов достаточно строго детерминирована. В этих условиях может быть высказано достоверное положение о том, что среднее время жизни любого элемента системы численно может быть принято равным интервалу времени между остановками для полного или частичного восстановления.

Основными видами восстановления (ремонта) энергетического оборудования являются капитальный и текущий ремонты. Обе категории ремонтов в течение эксплуатационного цикла присущи основному оборудованию (котлы, турбины) и крупному вспомогательному оборудованию (питательные насосы, дымососы, вентиляторы). Более мелкому оборудованию, а также арматуре присущи, в основном, только текущие ремонты, так как капитальные для этого оборудования, как правило, не рентабельны. Таким образом, под средним временем жизни элемента будем понимать время между двумя последовательными ремонтами (текущими или капитальными). Время восстановления любого элемента тепловой схемы ТЭЦ эквивалентно среднему времени невыполнения элементом его функции и может принимать некоторые значения от минимума до среднего времени ремонта.

Детерминированный подход к таким понятиям, как время жизни и время восстановления элемента, не является строгим. Эти времена являются случайными и распределены по экспоненциальному закону. Для исключения принципиальных ошибок условимся считать определенные выше средние значения времени жизни элемента и восстановления опорными базисными уровнями этих величин. Методика расчета должна позволять наряду с опорными значениями случайных величин находить экономические критерии в условиях неопределенности их. При таком подходе детерминированы могут быть только границы диапазона изменения случайной величины.

Отказ всегда сопровождается нарушением функций системы. В зависимости от значимости элемента, места его в схеме, режима, в котором произошел отказ, последний может сопровождаться или не сопровождаться экономическим ущербом. Если нарушение функций элемента не приводит к экономическому ущербу системы, элемент или группа могут быть исключены из рассмотрения в данный момент времени.

Логический анализ тепловой схемы ТЭЦ показывает, что ненормальное функционирование различных ее узлов и элементов по-разному влияет на жизнеспособность схемы в целом. Для упорядочения рассматриваемых задач может быть составлена классификация основных узлов и элементов схемы с разбивкой ее на группы в зависимости от степени влияния на жизнеспособность схемы:

1) собственно котлоагрегат; питательный насос; арматура, связанная с возможным отказом этих элементов;

2) турбоагрегат, деаэраторы питательной воды, перекачивающие насосы, вспомогательное оборудование турбоустановки и соответствующая арматура;

3) теплофикационная установка со вспомогательным оборудованием и арматурой;

4) вспомогательное общестанционное оборудование с арматурой (подогреватели, насосы, баки).

Наиболее важным узлом схемы является котлоагрегат, так как его отказы приводят как к недоотпуску тепловой, так и недоотпуску электрической энергии. Ранжировка остальных узлов схемы выполняется по степени влияния их отказов на отказы котлоагрегатов.

С точки зрения теории надежности, система теплоснабжения вообще и тепловая схема ТЭЦ, в частности, представляют собой системы с комбинированным техническим обслуживанием. В этих системах, наряду с плановыми остановками и ремонтами, существуют периоды обслуживания, соответствующие появлению случайных отказов. Система является восстанавливаемой, с конечным временем восстановления элементов.

Для удобства анализа целесообразно расчленить каждую группу на узлы, руководствуясь следующими принципами: элементы узла должны выполнять одинаковые технологические функции и быть, по возможности, равнонадежными, а узел должен быть обособленным от других узлов и элементов. Однако даже при таком подходе группы и схема в целом разбиваются на несколько десятков узлов с различными технологическими функциями, различной надежностью и различными начальными капиталовложениями.

Для упрощения расчетов вначале рассматривается узел, наиболее определяющий жизнеспособность схемы и требующий максимальных капиталовложений (например, котлоагрегаты). Для этого узла рассматривается все многообразие вариантов и находится один, имеющий оптимальную эффективность по условиям надежности. Для выбранного таким образом одного варианта узла или группы рассматриваются все возможные варианты следующего по ранжировке узла, исключая из рассмотрения все остальные узлы схемы. Подобная итерация производится до момента, в который исчерпывается набор узлов (групп) схемы.

Виноградов Ю. И., Векштейн Л. М., Соболь И. Д. ПРОМЫШЛЕННОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ. «Техника», 1975