Визначення показників надійності теплоенергетичного обладнання. До оцінки надійності міських систем теплопостачання. Граничний стан обладнання

Статтю підготовлено на основі матеріалів збірника доповідей VI Міжнародної науково-технічної конференції «Теоретичні основи теплогазопостачання та вентиляції» НДУ МДСУ.

Аналіз роботи систем теплопостачання, проведений співробітниками науково-дослідної лабораторії «Теплоенергетичні системи та установки» (НДЛ ТЕСУ) УлГТУ у ряді міст Росії, показав, що у зв'язку з високим ступенем фізичного та морального зносу теплових мереж та основного обладнання теплоджерел надійність систем постійно знижується. Це підтверджується статистичними даними, наприклад, кількість пошкоджень під час проведення гідравлічних випробувань у теплових мережах міста Ульяновська за вісім років зросла у 3,5 рази. У деяких містах (Санкт-Петербург, Самара та ін.) сталися великі аварії магістральних теплопроводів під час підтримки в тепломережах високих температур і тисків, тому навіть у сильні морози температуру теплоносія на виході з теплоджерела не піднімають вище за значення 90-110 °C, то є теплоджерела змушені працювати із систематичним недогрівом мережевої води до нормативної температури («недотопом»).

Недостатні витрати теплопостачальних організацій на реновацію та капітальні ремонти теплових мереж та обладнання теплоджерел призводять до суттєвого збільшення кількості пошкоджень та зростання кількості відмов централізованих систем теплопостачання. Тим часом міські системи теплопостачання відносяться до систем життєзабезпечення, і їх відмова веде до неприпустимих для людини змін мікроклімату будівель. У таких умовах проектувальники та будівельники у низці міст відмовляються від теплофікації нових житлових районів та передбачають там будівництво місцевих теплоджерел: дахових, блокових котелень або індивідуальних котлів при поквартирному опаленні.

У той же час, федеральним законом №190-ФЗ «Про теплопостачання» передбачається пріоритетне використання теплофікації, тобто комбінованого вироблення електричної та теплової енергії для організації теплопостачання у містах. Незважаючи на те, що децентралізовані системи теплопостачання не мають термодинамічних переваг теплофікаційних систем, їх економічна привабливість сьогодні вища, ніж централізованих від ТЕЦ.

У той самий час забезпечення заданого рівня надійності та енергетичної ефективності теплопостачання споживачів одна із основних вимог, які пред'являються під час виборів і проектуванні теплофікаційних систем відповідно до федеральному закону №190-ФЗ «Про теплопостачання» і СНиП 41-02-2003 «Теплові мережі» . Нормативний рівень надійності визначається трьома такими критеріями: ймовірністю безвідмовної роботи, готовністю (якістю) теплопостачання та живучістю.

Надійність систем теплопостачання можна підвищити або рахунок підвищення якості елементів, у тому числі вони складаються, або рахунок резервування. Головною відмінністю нерезервованої системи і те, що відмова будь-якого її елемента призводить до відмови всієї системи, а резервованої системи ймовірність такого явища істотно знижується. У системах теплопостачання одним із способів функціонального резервування є спільна робота різних джерел теплоти.

З метою підвищення надійності та енергетичної ефективності систем теплопостачання у НІЛ ТЕСУ УлГТУ створено технології роботи комбінованих теплофікаційних систем з централізованими основними та місцевими піковими теплоджерелами, які поєднують у собі структурні елементи централізованих та децентралізованих систем теплопостачання.

На рис. 1 показана структурна схема комбінованої теплофікаційної системи з послідовним включенням централізованих основних та місцевих пікових теплоджерел. У такій системі теплопостачання ТЕЦ працюватиме з максимальною ефективністю при коефіцієнті теплофікації, що дорівнює 1,0, оскільки все теплове навантаження забезпечується рахунок теплофікаційних відборів пари турбін на мережеві підігрівачі. Однак ця система забезпечує лише резервування теплоджерела та підвищення якості теплопостачання за рахунок місцевого регулювання теплового навантаження. Можливості підвищення надійності та енергетичної ефективності теплофікаційної системи у цьому рішенні використані не повною мірою.

Для усунення недоліків попередньої системи та подальшого вдосконалення технологій комбінованого теплопостачання запропоновані комбіновані теплофікаційні системи, з паралельним включенням централізованих та місцевих пікових теплоджерел, які при зниженні тиску або температури нижче встановленого рівня дозволяють гідравлічно ізолювати місцеві системи теплопостачання від централізованої. Зміна пікового теплового навантаження в таких системах здійснюється шляхом місцевого кількісного регулювання кожного з абонентів за рахунок зміни витрати мережної води, що циркулює через автономні пікові джерела теплоти та місцеві системи абонентів. При аварійній ситуації місцеве пікове джерело теплоти може використовуватися як базове, і циркуляція мережної води через нього та місцеву систему теплопостачання здійснюється за допомогою циркуляційного насоса. Аналіз надійності систем теплопостачання проводять із позицій можливості виконання ними заданих функцій. Здатність теплофікаційної системи виконувати задані функції визначається її станами з відповідними рівнями потужності, продуктивності тощо. У зв'язку з цим необхідно розрізняти працездатний стан, часткову відмову та повну відмову системи в цілому.

У НІЛ ТЕСУ УлДТУ створено технології роботи комбінованих теплофікаційних систем з централізованими основними та місцевими піковими теплоджерелами

Поняття відмови є основним в оцінці надійності системи теплопостачання. Враховуючи ту обставину, що теплоенергетичні установки та системи є відновлюваними об'єктами, відмови елементів, агрегатів та систем слід ділити на відмови працездатності та відмови функціонування. Перша категорія відмов пов'язана з переходом елемента або системи в момент часу т з працездатного стану на непрацездатний (або частково непрацездатний). Відмови функціонування пов'язані з тим, що система в даний момент часу не забезпечує (або частково не забезпечує) заданий споживачем рівень теплопостачання. Вочевидь, що відмова працездатності елемента чи системи означає відмова функціонування. І, навпаки, відмова функціонування може статися й у разі, коли відмови працездатності не сталося. З огляду на це роблять вибір показників надійності систем.

Як одиничні показники надійності елементів або систем теплопостачання в цілому можуть бути використані відомі показники: λ(τ) - інтенсивність (параметр потоку відмов) відмов; μ(τ) - інтенсивність відновлень; P(τ) - ймовірність безвідмовної роботи протягом періоду часу τ; F(τ) - ймовірність відновлення за період часу τ.

Порівняємо надійність традиційної та комбінованих теплофікаційних систем з однаковим тепловим навантаженням 418,7 МВт, з яких базове навантаження у розмірі 203,1 МВт забезпечується на ТЕЦ з турбіною Т-100-130 (витрата мережної води 1250 кг/с), а пікове навантаження розмірі 215,6 МВт піковими теплоджерелами. ТЕЦ та споживач пов'язані двотрубною тепловою мережею протяжністю 10 км. У традиційній теплофікаційній системі все теплове навантаження забезпечується на ТЕЦ. В одній комбінованій системі піковий теплоджерело встановлено послідовно централізованому (рис. 1), в іншій – паралельно (рис. 2).

У котельні у споживача встановлюється три водогрійні котли, один з яких резервний.

Як видно із рис. 1 і 2, будь-яка теплофікаційна система є складною структурою. Розрахунок показників надійності таких функціональних систем є досить трудомістким завданням. Тому для розрахунку показників надійності таких систем використовують метод декомпозиції, відповідно до якого математична модель розрахунку показників надійності системи поділяється на ряд підмоделей. Цей поділ здійснюється за технологічною та функціональною ознаками. Відповідно до цього в теплофікаційній системі виділено основне теплоджерело (ТЕЦ), систему транспорту теплоти від ТЕЦ до споживачів, децентралізоване пікове джерело теплоти та систему розподільних мереж для покриття опалювальних навантажень. Такий підхід дозволяє проводити розрахунок показників надійності окремих підсистем незалежно. Розрахунок показників надійності всієї теплофікаційної системи здійснюється як для паралельно-послідовної структури.

Теплофікаційний блок ТЕЦ з погляду надійності є складною структурою послідовно з'єднаних елементів: котлоагрегату, турбіни, теплофікаційної установки. Для такої структурної схеми відмова одного з агрегатів призводить до відмови всієї установки. Тому коефіцієнт готовності теплофікаційного блоку визначиться за такою формулою:

де kг ТЕЦ, kг до, kг т і kг ту - коефіцієнти готовності всієї ТЕЦ, котлоагрегату, турбіни та теплофікаційної установки, відповідно.

Стаціонарні значення коефіцієнта готовності kг для відповідних елементів схеми визначаються залежно від інтенсивності відновлення }