Методы и модели обоснования надежности систем теплоснабжения и источников теплоты

Актуальность проблемы. С началом экономических и политических реформ в стране энергетика России вступила в качественно новый этап своего развития. Принципиально меняются внешние условия, а также многие положения структурной, технической и экономической политики развития отрасли.

В соответствии с новой энергетической политикой России к числу основных ориентиров современной технической политики в области энергетики относится повышение ее экономической эффективности, а также повышение надежности и безопасности энергоснабжения потребителей [1].

Системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) городов являются составной частью энергетического хозяйства страны. Одним из основных свойств СЦТ, определяющих эффективность их функционирования, является надежность. Учет фактора надежности теплоснабжения является одним из основных аспектов комплексной оптимизации СЦТ. В общем случае согласно ГОСТ «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» [2] под надежностью объекта понимается его свойство сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях. Надежность является комплексным свойством, основными составляющими которого являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Применительно к системам энергетики рассматриваются также такие единичные свойства надежности, как живучесть и безопасность [2].

Современные СЦТ представляют собой сложные технические системы, включающие источники теплоты (ИТ) большой мощности, и тепловые сети (ТС), имеющие разветвленную структуру и значительную размерность. Для СЦТ характерны наличие существенных различий в требованиях к надежности теплоснабжения со стороны потребителей разных категорий, неравномерность процессов потребления теплоты, разнообразие технических средств обеспечения надежности, подверженность крупным внешним воздействиям.

Обеспечение надежности теплоснабжения осуществляется как на этапе разработки и проектирования СЦТ, так и в процессе эксплуатации. При этом решения, в основном определяющие уровень надежности СЦТ принимаются на первом из указанных этапов. Диссертационная работа посвящена вопросам обоснования надежности применительно к этапу разработки и проектирования СЦТ.

В настоящее время при проектировании ИТ и СЦТ-используются эмпирические способы оценки надежности, основанные на опыте эксплуатации ИТ и СЦТ. Современные методы расчета и обоснования надежности при их проектировании и модернизации не применяются. Исключение составляет ряд вопросов, связанных с выбором параметров магистральных и распределительных ТС.

Отсутствие количественной оценки надежности ИТ и СЦТ на этапах их проектирования и модернизации означает, что поиск обоснованного, экономически наиболее целесообразного уровня надежности также не предусмотрен. В то же время переход экономики страны на рыночную основу предъявляет повышенные требования к надежности отпуска энергии, в частности, теплоты на цели технологии и обоснованию уровня надежности СЦТ с учетом интересов сторон, участвующих в процессе производства, транспорта и потребления теплоты.

Отпуск теплоты на цели отопления — очень важная социальная функция СЦТ. Недостаточная надежность и безопасность теплоснабжения потребителей жилого сектора сказывается не только на уровне комфортности жизни населения, но и на состоянии здоровья людей. Недостаточная надежность и безопасность теплоснабжения этой группы потребителей чревата различными последствиями вплоть до возникновения социальной напряженности.

За последние годы были крупные аварии в СЦТ в городах Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Хабаровск, Мурманск, Тюмень, Ульяновск и др. Последствия этих аварий, происходивших в период стояния низких температур наружного воздуха, очень тяжелые. В то же время исследование возможных последствий для потребителей с точки зрения недоотпуска теплоты при авариях на ИТ как в расчетных условиях, так и при возможных чрезвычайных ситуациях при проектировании СЦТ не производится. Такие свойства СЦТ, как живучесть и безопасность, в нормативных документах, регламентирующих структуру СЦТ — нормах технологического проектирования ТЭС и строительных нормах и правилах [3−5] - даже не упоминаются.

Такой подход к надежности и безопасности теплоснабжения противоречит требованиям, предъявляемым современным обществом как к качеству жизни, включая комфортность быта, так и к заботе государства о здоровье населения.

Таким образом, к настоящему времени отчетливо проявилась необходимость в разработке методов технико-экономического обоснования уровня надежности СЦТ с учетом современной экономической ситуации.

В связи с этим методическими целями диссертации являются:

1) разработка методики расчета и обоснования уровня надежности отпуска теплоты промышленным и коммунальным предприятиям;

2) разработка методики расчета показателей надежности теплоснабжения жилого сектора и обоснования экономической эффективности варианта СЦТ с учетом требований надежности, живучести и безопасности;

3) развитие методики расчета и обоснования показателей надежности источников теплоты в части учета особенностей их технологических схем.

На основе указанных методических разработок выполнены исследования надежности систем теплоснабжения и их подсистем, в том числе:

1) определение оптимального варианта резервирования промышленной.

ТЭЦ;

2) расчет величины резерва теплогенерирующей мощности в СЦТ;

3) исследование надежности теплоснабжения жилых зданий от ТЭЦ в условиях нерасчетного похолодания.

Все расчетные исследования выполнены при помощи ПЭВМ. Разработанные и используемые в расчетах математические модели реализованы в виде программ на алгоритмическом языке Си.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы решены следующие научно-исследовательские задачи:

1) разработана методика расчета показателей надежности отпуска теплоты промышленным и коммунальным предприятиям;

2) усовершенствована методика расчета показателей надежности теплоснабжения жилого сектора в части анализа живучести СЦТ и безопасности теплоснабжения потребителей;

3) усовершенствована методика расчета показателей надежности ИТ в части учета особенностей их технологических схем и организации восстановления;

4) разработана методика экономического обоснования требований к надежности отпуска теплоты промышленным и коммунальным предприятиям;

5) разработана методика учета факторов надежности, живучести и безопасности при обосновании повышения экономической эффективности отпуска теплоты на отопление;

6) разработана методика технико-экономического обоснования требований к надежности ИТ.

Практическая ценность и использование результатов заключается в следующем. На основе разработанных автором и приводимых в диссертации методов и моделей выполнены следующие работы:

1) по заказу РАО «ЕЭС России» разработан проект типовой методики учета надежности при разработке тарифа на тепловую энергию, отпускаемую энергосистемами промышленным и коммунальным предприятиям;

2) по заказу РАО «ЕЭС России» разработан проект типовой методики расчета и экономического обоснования структурной надежности теплоэнергетической установки;

3) по заказу Минтопэнерго РФ решена задача определения величины резерва теплогенерирующей мощности в СЦТ, необходимого для удовлетворения требований по надежности отпуска теплоты на отопление для широкого спектра исходных данных;

4) По заказу ОАО «Газпром» разработана методика обоснования требований к надежности основных агрегатов парогазовых энергоблоков тепловых электростанций.

5) по заказу правительства Москвы проведено исследование надежности теплоснабжения жилых зданий от ТЭЦ г. Москвы в условиях нерасчетного похолодания.

Диссертация написана на основании методических разработок и расчетных исследований, выполненных автором в ИНЭИ РАН в рамках научно-исследовательских работ по заказу РАО «ЕЭС России» (хоздоговор № 03−95 683 от 03.05.1995) и в соответствии с хоздоговорами с Корпорацией «ЕЭЭК» (Ф-697 от 22.05.1996 и Ф-701 от 03.06.1996), по заказу ОАО «Газпром» (хоздоговор № 01−96 от 18.12.1995), по заказу Минтопэнерго РФ (хоздоговор № 25/94 от 06.06.1994), по заказу Министерства науки и технологий РФ (распоряжение № 472 Ф от 16.04.1998) — в рамках комплексной программы «Безопасность Москвы» по проекту 1.1.20 (хоздоговор № 2 ХД-98 от 18.05.1998), РФФИ (проект 95−02−3 583-а).

Результаты работ, проведенных автором, использованы в РАО «ЮС России» при разработке концепции обоснования надежности тепловых электростанций, использованы Научно-техническим советом Комплексной программы «Безопасность Москвы» при разработке мероприятий по повышению надежности системы теплоснабжения г. Москвы, а также в ОАО «Газпром» при обосновании уровня надежности основных агрегатов создаваемых с участием ОАО «Газпром» парогазовых ТЭС.

Апробация работы. Основные методические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Конференции молодых специалистов ЭНИН им. Г. М. Кржижановского (г. Москва, 1991 г.), Международной конференции «Безопасность крупных городов» (г. Москва, 1996 г.), научно-техническом совете РАО «ЮС России» (г. Москва, 1997 г., 1999 г.), XLIY научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (г. Москва, 1997 г.), втором международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (г. Казань, 1998 г.), международном конгрессе «Нелинейный анализ и его приложения» (г. Москва, 1998 г.), всероссийской конференции «Мелентьевские чтения» (г. Звенигород, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано в соавторстве 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений.

Результаты исследования живучести СЦТ в условиях нерасчетного похолодания.

Сценарий Показатели живучести.

Вероятность снижения температуры Ь ниже 12 °C Число часов стояния температуры 1: в ниже 1 за время НВ Относительный недоот-пуск теплоты за время НВ.

20° 1= 18° 1= 16° 1= 14° 12° 1= 10° 8° 1= 6° 1= 4°.

Без НВ.

0,992 84 26 3 0 0 0 0 0 0 6,5.

Наступление одного НВ за рассматриваемый пеоиод.

1. НВ не вызывает зависимых отказов оборудования 0,671 85 63 44 26 12 3 0 0 0 18,2.

2. НВ вызывает зависимый отказ одного котлоагре-гата КВГМ-100 0,661 85 68 50 33 18 6 1 0 0 20,4.

3. НВ вызывает зависимый отказ одного котлоагре-гата ПТВМ-180 0,654 85 70 55 38 22 10 2 0 0 22,6.

4. НВ вызывает зависимый отказ энергоблока Т-250 0,620 85 73 63 48 31 17 7 1 0 25,4.

5. НВ вызывает зависимый отказ энергоблока Т-250 и котлоагре-гата ПТВМ-180 0,470 85 76 68 57 43 28 15 5 1 29,4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработка и проектирование СЦТ городов и ИТ в их составе осуществляется на основании действующих государственных нормативных документов, не предусматривающих расчета и обоснования надежности. Отсутствие количественной оценки надежности ИТ и СЦТ на этапах их проектирования и модернизации означает, что поиск экономически наиболее целесообразного уровня надежности не предусмотрен. В то же время переход экономики страны на рыночную основу предъявляет повышенные требования к надежности отпуска теплоты и обоснованию уровня надежности СЦТ с учетом интересов сторон, участвующих в процессе производства, транспорта и потребления теплоты. В представленной работе осуществлен учет фактора надежности теплоснабжения применительно к верхнему иерархическому уровню СЦТ.

2. В работе сформулирована задача обоснования требований к надежности СЦТ. Выбор наиболее экономически эффективной структуры СЦТ и соответствующего ей уровня надежности представляется в виде поиска варианта, удовлетворяющего имеющимся ведомственным нормативным требованиям, интегральный эффект от реализации которого максимальный.

3. Необходимой составляющей обоснования требований к надежности систем теплоснабжения и ИТ является методика оценки уровня надежности теплоснабжения потребителей. В работе приводится методика расчета показателей надежности СЦТ и ИТ, основанная на использовании метода статистических испытаний. Методика позволяет учитывать как независимые, так и зависимые отказы оборудования, а также каскадное развитие аварий. Методика предусматривает возможность нахождения отдельных агрегатов как в нагруженном, так и в ненагруженном резерве.

Разработанная методика позволяет производить оценку надежности функционирования паротурбинных, газотурбинных и парогазовых ТЭЦ, а также котельных.

Разработанная методика позволяет исследовать надежность отпуска теплоты промышленным предприятиям, а также потребителям жилого сектора.

Приведенная в диссертации методика позволяет проводить детальный анализ надежности как СЦТ в целом, так и ее подсистем. Исследования могут проводиться как в статических условиях (применительно к определенному моменту функционирования СЦТ), так и с учетом развития СЦТ или ИТ и изменения во времени показателей надежности элементов системы.

4. Применительно к отпуску теплоты на отопление разработана методика исследования живучести СЦТ и безопасности теплоснабжения потребителей. Предложена система показателей и критерий живучести и безопасности СЦТ. В качестве критерия живучести и безопасности СЦТ принято условие недопустимости снижения температуры воздуха в отапливаемых помещениях ниже своего критического значения. Оценка живучести и безопасности осуществляется путем исследования функционирования СЦТ в условиях НВ, включающего вероятностное моделирование НВ и его воздействия на СЦТ с учетом состояния системы до, во время и по окончании НВ.

5. Разработанные методики экономического обоснования требований к надежности СЦТ и ИТ основываются на использовании современного методического аппарата обоснования инвестиционных проектов. Основным показателем эффективности рассматриваемых вариантов СЦТ и ИТ является интегральный эффект, получаемым путем дисконтирования результатов и затрат по годам расчетного периода.

Методика обоснования требований к надежности отпуска теплоты на отопление предполагает проверку выполнения рассматриваемыми вариантами СЦТ условий удовлетворения отраслевых нормативов надежности: коэффициента готовности относительно температуры воздуха в отапливаемых помещениях, равной 20 °C — К*2о=0,97 и вероятности безотказной работы относительно температуры в помещениях, равной 12 °C — Р*12=0,86.

Методика обоснования требований к надежности отпуска теплоты на технологические нужды промышленных и коммунальных предприятий предполагает сопоставление затрат в СЦТ на повышение надежности с эффектом, образующимся у потребителя за счет снижения ущерба от недоотпуска теплоты. Задача решена применительно к двум информационным ситуациям — в для случаев наличия или отсутствия количественных данных о величине ущерба от недоотпуска теплоты потребителям.

В рамках методики обоснования требований к надежности отпуска теплоты на цели технологии решена задача учета надежности при формировании тарифа на тепловую энергию, промышленным и коммунальным предприятиям.

6. Все разработанные методики оценки и экономического обоснования требований к надежности СЦТ и ИТ реализованы в виде программ для ПЭВМ на алгоритмическом языке Си.

7. С использованием разработанных методик проведен ряд расчетных исследований надежности СЦТ и ИТ.

Проведено оптимизационное исследование СЦТ, основным ИТ в которой является паротурбинная ТЭЦ, снабжающая паром и горячей водой предприятие нефтехимической промышленности. В результате расчетов для случая отсутствия данных об ущербах от недоотпуска теплоты у потребителя выявлена зависимость тарифов на отпускаемые пар и горячую воду от состава резервных котлов. Результатом исследования при наличии данных об ущербах от недоотпуска теплоты у потребителя является определение количество резервных котлов, устанавливаемых на рассматриваемой ТЭЦ.

Проведен расчет величины резерва теплогенерирующей мощности в СЦТ для целей отопления жилых зданий. Расчетные исследования проведены для различных значений показателей надежности единичных агрегатов, варьируемых в широких пределах, выполненных как для газового, так и для твердого топлива, для различных значений расчетной температуры наружного воздуха. При расчете учтена возможность взаимного резервирования ТЭЦ. Расчет выявил необходимость создания резерва теплогенерирующей мощности для удовлетворения отраслевых нормативов надежности — К*2о и Р*12.

Проведено исследование надежности системы теплоснабжения г. Москвы в условиях нерасчетного похолодания. Теплоснабжение жилых зданий рассмотренного района теплопотребления производится от ТЭЦ-22, а также двух РТС. В рамках исследования разработана математическая модель нерасчетного похолодания для региона — г. Москва, как неблагоприятного воздействия на СЦТ. Исследования показали, что при наступлении сильного нерасчетного похолодания критерий живучести СЦТ не удовлетворяется: снижение температуры воздуха в помещении существенно ниже нормативного значения происходит при каждом из рассмотренных сценариев функционирования СЦТ в условиях НВ. Показано, что для предотвращения ситуаций, опасных для здоровья и жизни людей из-за снижения температуры воздуха в отапливаемых помещениях необходимы коррективы в соответствующие нормативные документы предусматривающие определение величины необходимого резерва мощности.

8. Направлениями дальнейших исследований представляются:

— развитие моделей исследования надежности СЦТ и ИТ с учетом процессов старения, происходящих в энергоустановках и тепловых сетях;

— разработка более информативной системы показателей, характеризующих зависимые отказы оборудования, в частности, каскадное развитие отказов;

— разработка единой системы нормативов надежности систем теплоснабжения, ТЭЦ, котельных, тепловых сетей.