Методы анализа и обеспечения надежности при управлении реконструкцией схем выдачи мощности электростанций

Электроэнергетический потенциал России в основном создан в период, начиная с 50-х и до конца 80-х годов XX века, когда развитие электроэнергетики шло опережающими остальную промышленность темпами. При росте валового национального дохода за этот период в 6,2 раза производство электроэнергии возросло более чем в 10 раз.

За последние пятнадцать лет электрооборудование по мере выхода за пределы расчетного срока эксплуатации подвергалось капитальным ремонтам, что позволило увеличить срок эксплуатации. Это связано с повышением уровня риска нестабильной работы, постоянно растущими расходами на поддержание требуемой надежности схем выдачи мощности электростанций (СВМ), увеличением стоимости ремонта оборудования и электроэнергии.

По оценкам специалистов РАО «ЕЭС России» степень износа производственных фондов в электроэнергетике составит в 2006 году свыше 50%, причем степень износа активной части основных фондов достигнет 65% и из них полностью изношенных около 26%.

В 1997 г. Указом Президента были утверждены основные направления реформирования электроэнергетики. В 1999 г. была принята «Программа действий по повышению эффективности работы и дальнейшим преобразованиям в электроэнергетике Российской Федерации». В 2000 г. на основе указанных и других документов РАО был подготовлен проект «Концепции реструктуризации РАО «ЕЭС России» .

Реформирование РАО «ЕЭС России» включает реконструкцию энергообъектов и расширение сетевого строительства. Проведение реконструкции ставит вопросы о необходимости анализа и обеспечения надежности электроустановок энергосистем.

Одной из важных подсистем любой электростанции является СВМ. Она в значительной мере определяет такие качества электрической части станции как надежность, экономичность, безопасность обслуживания, удобство эксплуатации и компоновки электрооборудования, возможность дальнейшего развития, а также влияет на надежность функционирования всей электростанции в целом.

Реконструкция проводится на действующей электростанции, и вывод части СВМ в реконструкцию ослабляет надежность функционирования части схемы, оставшейся в работе. Это требует анализа и обеспечения надежности СВМ в процессе реконструкции.

Практически все выполненные исследования в области анализа надежности СВМ электростанции сводятся к исследованиям надежности при проектировании и в процессе эксплуатации. Поэтому существующие методики оценки надежности не позволяют учесть все особенности функционирования СВМ в процессе реконструкции.

Возникли дополнительные факторы, которые осложняют условия обеспечения надежности функционирования электростанций и которые должны учитываться в условиях реконструкции: увеличение износа электрооборудованиярост вероятности угроз энергетической безопасности регионанедостаток инвестицийнеобходимость проводить реконструкцию на работающей СВМ электростанции.

Таким образом, разработка методов анализа и обеспечения надежности при управлении реконструкцией СВМ электростанций является актуальной задачей.

Степень разработанности проблемы. Основу математической теории надежности в нашей стране заложили Б. В. Гнеденко, Ю. И. Беляев и А. Д. Соловьев. Дальнейшее развитие она получила благодаря исследованиям Г. А. Голинкевича, Г. В. Дружинина, В. А. Козлова, И. А. Ушакова, A.A. Червонного, Я. Б. Шора и др.

Исследованию надежности распределительных устройств СВМ электростанций уделялось много внимания В. Д. Таривердиевым, П. Г. Грудинским, М. М. Лебедевым, И. С. Нейштадтом, Ю. Б. Гуком, М. Н. Розановым, Ф. И. Синьчуговым, В. Г. Китушиным, Э. А. Лосевым, A.B. Мясниковым, В. А. Тремясовым, В. И. Трубицыным, Дж. Эндрени, Р. Биллинтоном, Р. Алланом и.

ДР.

Анализ работ выше перечисленных авторов позволяет определить подход к разработке и обоснованию методов анализа и обеспечения надежности СВМ, но при этом важно учесть специфику, обусловленную технологией их реконструкции в условиях продолжающейся эксплуатации.

Целью диссертационного исследования является разработка методов анализа и обеспечения надежности при управлении реконструкцией СВМ электростанций.

Указанная цель определила необходимость решения следующих задач:

— исследовать подходы к оценке и обеспечению надежности СВМ;

— разработать метод и алгоритм оценки надежности СВМ электростанций в условиях поэтапной реконструкции;

— разработать регрессионную модель для показателей надежности СВМ в условиях неопределенности исходной информации о надежности электрооборудования;

— разработать процедуру принятия решений при выборе варианта модернизации и/или реконструкции СВМ в условиях неопределенности оценок технических и экономических показателей;

— разработать методику оценки эффективности инвестиций при модернизации и/или реконструкции СВМ.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования отечественных и зарубежных ученых, нормативные документы, материалы научно-практических конференций, периодические издания.

В процессе исследования использовались принципы системного анализа, положения теории вероятностей, теории надежности, теории планирования факторного эксперимента, топологического и регрессионного анализа, теории нечетких множеств, опыт эксплуатации и методы экономического анализа.

Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей, алгоритмов и их реализацией в виде пакета прикладных программ.

Научная новизна.

• Разработан формализованный алгоритм оценки надежности СВМ электростанций различных типов.

• Разработана процедура принятия решений при выборе варианта модернизации и/или реконструкции СВМ в условиях неопределенности оценок технических и экономических показателей.

• Предложена методика оценки экономической эффективности инвестиций при модернизации и/или реконструкции СВМ электростанций.

Основные результаты, выносимые на защиту.

При решении поставленных задач были получены следующие результаты, выносимые на защиту:

• методические подходы к анализу надежности СВМ электростанций в условиях модернизации и/или реконструкции;

• топологический метод позволяющий определять показатели надежности при поэтапной реконструкции СВМ и алгоритм оценки надежности;

• регрессионная модель надежности реконструируемых СВМ электростанций, которая учитывает неопределенность исходной информации, дает возможность оценивать влияние отказов электрооборудования на надежность функционирования СВМ;

• процедура принятия решений по выбору варианта модернизации и/или реконструкции СВМ на основе нечетких множеств и методе оценки эффективности инвестиций.

Практическая ценность работы заключается в формировании методического подхода к анализу и обеспечению надежности при управлении технологией реконструкции СВМ электростанций. Основные методические положения, изложенные в диссертационной работе, могут быть использованы для анализа надежности и выбора технических решений в СВМ электростанций при модернизации и/или реконструкции в условиях неопределенности оценок технических и экономических показателей, определении эффективности инвестиций в реконструкцию.

Реализация полученных результатов была осуществлена на примерах реконструкции ОРУ -500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС, модернизации ОРУ -220 кВ Красноярской ГЭС, реконструкции ОРУ -220 кВ Усть-Хантайской ГЭС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции» КГТУ (Красноярск, 2001;2004 гг.), Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники — развитию Сибирских регионов» (Красноярск 2001, 2003 гг.), краевой научнопрактической конференции студентов и молодых ученых «Интеллект-2001» (Красноярск 2001 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (102 наименования в алфавитном порядке) и приложений.

Выводы.

1. Количественный анализ надежности вариантов реконструкции схемы ОРУ-220 кВ Красноярской ГЭС позволил выбрать вариант модернизации ОРУ-22С) кВ путем замены установленных воздушных выключателей баковыми элегазовыми. Анализ результатов выявил значительное снижение частот аварий, связанных с отказами выключателей после проведения модернизации, в частности, снижение частоты следующих аварий связанных с отказами в срабатывании выключателей: одновременная потеря 3-х и более генераторов, 2-х и более линий, полное погашение ОРУ.

2. Применение аппарата факторного эксперимента при исследовании надежности СВМ Усть-Хантайской ГЭС в условиях реконструкции позволило создать полиномиальную модель надежности данной электроустановки, которую можно использовать для расчетов надежности при проектировании реконструкции. На основе полученных уравнений регрессии проведена оценка влияния отказов электрооборудования на надежность функционирования схемы выдачи мощности, которая показала, что надежность функционирования СВМ зависит от интенсивности отказов выключателей и воздушных линий электропередач, длительности ремонта электрооборудования. По результатам анализа надежности СВМ при различных вариантах модернизации и/или реконструкции, с учетом технических условий эксплуатации предложено провести замену многообъемных масляных выключателей современными малообъемными масляными выключателями.

3. В результате сравнения вариантов реконструкции ОРУ-500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС по разработанной процедуре принятия технических решений, в качестве основного варианта реконструкции выбран вариант, когда средняя цепочка существующей схемы преобразуется в схему две системы сборных шин с двумя выключателями на присоединение. Сравнение вариантов реконструкции проводилось с использованием 12 критериев в их числе: частоты аварий, недоотпуск электроэнергии с шин станции, капитальные вложения в реконструкцию и др.

4. Анализ надежности на этапах реконструкции ОРУ-500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС выявил снижение надежности функционирования схемы выдачи мощности электростанции по некоторым типам аварий в процессе проведения реконструкции например, опасное увеличение частоты одновременной потери генератора и линий электропередач из-за разрыва средней цепочки выключателей. При этом в случае проведения непредвиденного аварийного ремонта выключателя, не участвующего в процессе реконструкции, происходит деление схемы на работу блок-линия.

5. Оценка эффективности инвестиции в реконструкцию ОРУ-220 кВ Усть-Хантайской ГЭС показала, что проведение реконструкции является экономически оправданным шагом и срок окупаемости данного варианта реконструкции составляет не более 9 лет. Результаты расчета эффективности инвестиций, в частности, такие показатели как срок окупаемости, внутренний коэффициент эффективности, рентабельность, кумулятивный денежный поток, использованы при выборе варианта реконструкции ОРУ-220 кВ Усть-Хантайской ГЭС. Результаты расчета показали, что предложенная в работе методика может применяться при оценке эффективности использования инвестиций в реконструкцию различных СВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации был решен ряд задач, касающихся анализа надежности при управлении реконструкцией СВМ электростанций.

1. Проведенный анализ состояния энергетики показал что, в настоящее время степень полного износа производственных фондов в электроэнергетике значительна и в 2006 году составит свыше 50%. С 1997 года проводится политика по реформирования электроэнергетики включающая реконструкцию энергообъектов. Проведение реорганизации РАО ЕЭС России требует проведения анализа эффективности инвестиций в реконструкцию схем выдачи мощности электростанций. Требуется методика выбора технических решений реконструкции СВМ электростанций учитывающая неопределенность исходных данных.

2. Обоснованно применение топологической модели для оценки надежности схем выдачи мощности электростанций в процессе реконструкции, которая позволяет учитывать: требование надежного и бесперебойного электроснабжения потребителей, сложность формализованного описания алгоритма функционирования электроустановок при возникновении отказов элементов, различные режимы работы схем на этапах реконструкции, виды отказов коммутационной аппаратуры, решать задачи анализа надежности СВМ электростанций с наибольшей степенью формализации.

3. Разработан алгоритм и выполнена программная реализация топологической модели для расчета и анализа надежности схем выдачи мощности, позволяющая выполнить автоматическую идентификацию видов аварий, определить для них частоту возникновения и длительность ликвидации. С помощью полученных значений частот и длительностей аварий определить условный недоотпуск электроэнергии потребителям и снижение выработки энергии станцией, что позволяет оценить величину математического ожидания экономического ущерба.

4. Применение регрессионных моделей для показателей надежности схем выдачи мощности электростанций как функции от факторов (надежность электроборудования) позволило выполнить численный анализ значимости факторов и определить наиболее эффективные средства повышения надежности в условиях неопределенности исходной информации о надежности оборудования.

5. Разработана процедура выбора варианта модернизации и/или реконструкции схемы выдачи мощности на основе теории нечетких множеств, учитывающая неопределенность исходной информации о параметрах и свойствах схем, отсутствие критериев для анализа надежности в условиях неопределенности оценок технических и экономических показателей, обладающая гибкостью при использовании критериев с различной размерностью, позволяющая формализовать процесс сравнения вариантов.

6. Предложена методика оценки эффективности инвестиции в модернизацию и/или реконструкцию схем выдачи мощности электростанций, основанная на показателях экономической эффективности используемых в международной практике обоснования инвестиционных проектов. Рекомендовано использовать следующие показатели экономической эффективности: чистую текущую стоимостьиндекс доходностирентабельностьвнутренний коэффициент эффективностипериод возврата капитальных вложениймаксимальный денежный оттокнорма безубыточности в качестве критериев сравнения вариантов реконструкции.

7. С помощью разработанных методов были выполнены оценки надежности и анализ технических решений при модернизации и реконструкции электрической части ряда ГЭС (ОРУ-220 кВ Красноярской ГЭС, ОРУ-500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС, ОРУ-220 кВ Усть-Хантайской ГЭС). В результате была проработана технология реконструкции распределительных устройств, обоснованы и определены конкретные рекомендации и мероприятия для повышения уровня надежности схем выдачи мощности этих электростанций.

Таким образом, в результате проведенных исследований решены сформулированные во введении задачи работы и достигнута её цель.