Практическая методика количественной оценки надежности тепловых сетей при проектировании и в условиях эксплуатации

Введение

Практическая методика количественной оценки надежности тепловых сетей при проектировании и в условиях эксплуатации

Предложены два критерия надежности тепловых сетей на основании нормативов надежности и мате­матических моделей нестационарного теплообмена в зданиях и процессов восстановления отказавшего теплопровода. Получены расчетные зависимости для определения основных параметров СЦТ, удовлет­воряющих требованиям надежности.

Энергетика России вступила в новую фазу разви­тия, характеризующуюся изменением целей и задач экономического роста и условий энергоснабжения народного хозяйства страны. Резко повышаются требования к безопасности энергетических объек­тов. Возрастает цена социально-экономического ущерба от перерыва в энергоснабжении и, следова­тельно, ужесточаются требования к живучести электрических и тепловых систем и надежности энергоснабжения. Системы централизованного   теплоснабжения (СЦТ) как и все технические системы массового об­служивания должны качественно обеспечивать по­требителей тепловой энергией, выполнять заданные функции при минимальных затратах на сооружение и эксплуатацию, обладать требуемой надежностью.

Надежность тепловых сетей - это свойство транспортной системы обеспечивать в течение заданного времени подачу потребителю требуемого количества качественного теплоносителя с определенными температурой и давлением.

В тепловых сетях могут происходить отказы, при­водящие к недоотпуску тепла той или иной группе потребителей. Отказ может быть полным (отказ-срыв), когда система прекращает работу, и частич­ным (отказ-помеха), при котором осуществляется пониженная подача тепла.

Надежность характеризуется вектором узловых показателей. Системы централизованного теплосна­бжения - это сложные, пространственно распреде­ленные инженерные сооружения с принципиальной недостаточностью статистической информации об отказах элементов и законах распределения случай­ных величин. При возникновении аварии в СЦТ не­допустимо полное длительное отключение нагрузки отопления (а иногда и вентиляции). Вместе с тем благодаря инерционности и аккумулирующей спо­собности тепловых сетей и зданий и возможности некоторого временного снижения температуры внутри отапливаемых помещений против заданного значения (за исключением отдельных категорий по­требителей) в аварийных условиях можно ограни­чить подачу тепла, т.е. установить пониженный по сравнению с расчетным уровень теплоснабжения. Чтобы такое понижение не оказалось ниже мини­мально допустимого, этот уровень должен соответ­ствовать некоторой, заранее установленной норме.

Системы централизованного теплоснабжения имеют ряд свойств, характерных для теории надежности:

большое число взаимосвязанных и взаимодейству­ющих элементов;

сложность выполняемой функции;

иерархическую структуру, возможность деления системы на подсистемы;

наличие управления, интенсивных потоков ин­формационной сети;

взаимодействие с внешней средой и функциониро­вание в условиях воздействия случайных факторов.

Одна из первых попыток количественной оценки надежности тепловых сетей базировалась на рас­четах ущербов от аварий, наносимых народному хо­зяйству страны и здоровью населения. Однако этот метод не получил развития из-за трудностей опре­деления достоверной величины ущерба в денежном выражении.

В другой работе сфор­мулированы наиболее важные принципы надежнос­ти и резервирования тепловых сетей с позиций ве­роятностного подхода:

оценка надежности теплоснабжения потребителей с помощью узловых показателей;

сочетание вероятностных методов расчета показа­телей надежности и детерминированных методов анализа нормальных и аварийных гидравлических режимов в тепловых сетях;

рассмотрение двух уровней обеспечения надежно­сти теплоснабжения - расчетного и аварийного.

Перечисленные методы расчета надежности сис­тем теплоснабжения при всей глубинеих теорети­ческих разработок имеют один общий недостаток они сложны для использования в работе проектиров­щиков.

Методика количественной оценки надежности тепловых сетей разработана во ВНИПИэнергопроме и практически используется уже более 15 лет. Она проста и удобна в обращении, не требует спе­циальных навыков от пользователя и дает хорошие результаты при минимальных затратах времени и ручного труда.

Предложены два критерия (норматива) надежнос­ти, численные значения которых определены на ос­новании исследований :

вероятность безотказной работы системы Б приня­та равной 0,86, т. е. за 100 лет допускается не более 14 отказов, приводящих к понижению температуры в неугловых комнатах отапливаемых помещений ниже +12°С;

коэффициент готовности Г принят равным 0,97, т. е. в течение года не допускается возможность от­казов общей длительностью более 262 ч, приводя­щих к снижению температуры в неугловых комна­тах отапливаемых помещений ниже +20°С (но не ниже +12°С).

Уровень надежности, отвечающий требованиям этих двух критериев, рассматривается как мини­мально допустимый.

Надежность можно обеспечить различными спосо­бами. Один из общепринятых - применение более надежных элементов СЦТ в сочетании с резервиро­ванием наиболее ответственных элементов системы. Резервирование может потребовать внедрения ре­жимных мероприятий для повышения управляемос­ти СЦТ, чтобы в состоянии отказа перераспределять потоки тепла и обеспечивать выполнение нормати­вов надежности. Нерезервированные элементы дол­жны иметь такие показатели, при которых выход их из строя не повлек бы за собой полного отказа всей системы.

Резервные связи сами по себе снижа­ют надежность СЦТ, так как приводят к росту ве­роятности отказов из-за увеличения количества эле­ментов в системе. Для каждой системы необходимо определять предельное суммарное значение резер­вируемых теплопроводов по критерию безотказной работы.

В общем случае расчет надежности систем тепло­снабжения сводится к определению показателей на­дежности, по которым установлены критерии.

Математическое ожидание времени неготовности системы к работе (ч/год) , где  - матема­тическое ожидание времени неготовности системы по одной, отдельно взятой причине (наступление похолодания, не предусмотренного расчетом , по­вреждение нерезервируемого участка теплопровода , неисправность теплоисточника  и др.).

При  < 100 ч/год можно считать

             

Коэффициент готовности Г=.

Для Москвы, если тепло подается по системе теп­лоснабжения с математическим ожиданием времени неготовности из-за повреждений сети =45 ч/год, расчетная температура наружного воздуха = -26°С, продолжительность отопительного сезона =213сут/год и = 38,0 + 10,0 ч/год, то =93,0 ч/год, что значительно ниже принятого вре­мени неготовности (262 ч/год).

Для Санкт-Петербурга, где расчетная температу­ра наружного воздуха для проектирования тепло­снабжения та же, что и в Москве (-26 °С), система по показателю  имеет удовлетворительную на­дежность: =64 ч/год (при =13 ч/год и =219 сут/год).

Коэффициенты готовности для Москвы и Санкт-Петербурга соответственно равны 0,989 и 0,992. Та­ким образом, структуры систем теплоснабжения и в Москве, и в Санкт-Петербурге удовлетворяют нор­мативному (минимальному) коэффициенту готов­ности (Г=0,97).

Выводы

1. Показатели надежности реальных систем теплоснабжения должны в общем случае отвечать усло­виям, которые определены минимальными значени­ями критериев надежности: Б=0,86; Г=0,97

2. При разработке мероприятий по повышению надежности существующих систем теплоснабжения необходимо учитывать, что только коренная реконструкция системы теплоснабжения с обеспечением управляемости может обеспечить повышение на­дежности теплоснабжения по всем показателям, включая математическое ожидание времени него­товности.

3. Продолжительность восстановления работоспособности системы теплоснабжения является важней­шим фактором, от которого непосредственно зависят и минимальная температура в отапливаемых помещениях в конце восстановительных работ, и математическое ожидание времени неготовности, и веро­ятность безотказной работы. Следовательно, назна­чая время восстановления нормальной работоспо­собности тепловых сетей в зависимости от затрат на содержание аварийно-спасательной службы и сопо­ставляя эти затраты с затратами на резервирование, можно найти оптимальную численность аварийно-восстановительной службы.

Энергетика России вступила в новую фазу разви­тия, характеризующуюся изменением целей и задач экономического роста и условий энергоснабжения народного хозяйства страны. Резко повышаются требования к безопасности энергетических объек­тов. Возрастает цена социально-экономического ущерба от перерыва в энергоснабжении и, следова­тельно, ужесточаются требования к живучести электрических и тепловых систем и надежности энергоснабжения.