Определение остаточного ресурса по критериям надежности
Определение остаточного ресурса тепловых сетей должно характеризовать реальную степень готовности системы и ее элементов к надежной работе в течение заданного временного периода.
Это определение обычно проводят с помощью инженерной диагностики - это надежный, но трудоемкий и дорогостоящий метод обнаружения потенциальных мест отказов. Поэтому для определения перечня участков тепловых сетей, которые в первую очередь нуждаются в комплексной диагностике, следует проводить расчет надежности. Этот расчет должен базироваться на статистических данных об авариях осмотрах и технической диагностике на данных участках тепловых сетей за период не менее пяти лет.
В данной Методике расчет надежности проводится по программе, разработанной совместно ОАО «ВНИПИэнергопром и МТК.
Надежность работы действующих тепловых сетей и в целом системы центрального теплоснабжения (СЦТ), в свою очередь, определяют по трем показателям (критериям) надежности:
Коэффициент готовности системы [Eг] - вероятность работоспособного состояния системы, ее готовности поддерживать в отапливаемых помещениях расчетную внутреннюю температуру более установленного нормативом числа часов в год.
Коэффициент готовности для j -го участка рассчитывается по формуле:
Ег = (5136 - z1 - z2 - z3 - z4)/5136,
где z1 - число часов ожидания нерасчетных температур наружного воздуха в данной местности (для Москвы z1 = 81,9 ч и 5136 - длительность отопительного периода);
z2 - число часов ожидания неготовности источника тепла (при отсутствии данных принимается равным 50 ч);
z3 - число часов ожидания неготовности участка тепловой сети;
z4 - число часов ожидания неготовности систем теплоиспользования абонента (при отсутствии данных принимается равным 10 ч).
Число часов ожидания неготовности j -го участка тепловой сети:
z3 = tв ωjЕ.
Здесь tв - среднее время восстановления (в часах) теплопровода диаметра dj (см. СНиП 41-02-2003, табл.2); ωjЕ - плотность потока отказов, используемая для вычисления коэффициента готовности.
Минимально допустимый показатель готовности систем центрального теплоснабжения к исправной работе согласно п. 6.31 СНиП 41-02-2003 равен 0,97.
Вероятность безотказной работы системы [Ртс] - вероятность безотказной работы системы, С, более числа раз, установленного нормативами.°С, в промышленных зданиях ниже +8°ее способность не допускать отказов, приводящих к падению температуры в отапливаемых помещениях жилых и общественных зданий ниже +12
Вероятность безотказной работы Р для каждого j -го участка трубопровода в течение одного года вычисляется с помощью плотности потока отказов ωjР
Р =ехр(-ωjР).
Вычисленные на предварительном этапе плотности потока отказов ωjЕ и ωjР корректируются по статистическим данным аварий за последние 5 лет в соответствии с оценками показателей остаточного ресурса участка теплопровода для каждой аварии на данном участке путем ее умножения на соответствующие коэффициенты.
Минимально допустимое значение вероятности безотказной работы Р согласно п. 6.28 СНиП 41-02-2003 равно 0,9.
Живучесть системы[Ж] - способность системы сохранять свою работоспособность в аварийных (экстремальных) условиях, а также после длительных остановов (более 54 часов).
Вопросы комплексной защиты оборудования систем теплоснабжения при переходных гидравлических режимах
Одним из требований нормативных документов способствующих повышению надежности и безопасности работы оборудования энергосистем, является требование о необходимости выполнения защиты оборудования системы теплоснабжения от недопустимых изменений давлений в переходных и послеаварийных гидравлических режимах.
При нормальной эксплуатации систем теплоснабжения в них имеет место медленное изменение параметров гидравлических режимов. Наличие в системе теплоснабжения большого количества насосного оборудования источников тепла и насосно-перекачивающих станций, запорно-регулирующей арматуры магистральных тепловых сетей неизбежно сопровождается увеличением вероятности отказа того или иного элемента оборудования. Соответствующие этим отказам неустановившиеся гидравлические процессы могут, как показывает опыт эксплуатации, сопровождаться возникновением давлений, недопустимых по условиям прочности оборудования системы теплоснабжения (источника тепла, тепловых сетей и теплопотребляющих установок).
Неустановившийся гидравлический режим, определяющий переход гидравлической системы из одного стационарного состояния в другое (например, к послеаварийному режиму), называется переходным гидравлическим режимом.
В зависимости от инерционных свойств трубопроводной системы и характеристик возмущающего воздействия переходные гидравлические режимы могут иметь характер гидравлического удара или квазистационарного режима [3]. Гидравлические удары характеризуются существенными значениями мгновенных давлений и вызываются, как правило, аварийным отключением (включением) под нагрузкой сетевых и перекачивающих насосных агрегатов, несанкционированным закрытием (открытием) запорно-регулирующей арматуры, быстрыми разрывами теплопроводов, обусловливающими снижение давления в отдельных точках системы теплоснабжения до давления вскипания. Квазистационарные режимы имеют монотонный характер и вызываются длительными возмущениями, например, плановым закрытием головных задвижек при отключении магистралей. В этих режимах опасность, как правило, может представлять конечное давление.
Для систем теплоснабжения по сравнению с другими системами транспорта жидкости имеет место значительная разница допустимых давлений для различного оборудования систем теплоснабжения. При этом наименьшее допустимое давление характерно для зависимоприсоединенных отопительных установок - не выше 0,6 МПа. Аварийные отключения сетевых насосов, как правило, обусловливают повышение давления в обратных теплопроводах, недопустимое для зависимоприсоединенных отопительных установок теплопотребителей. Как следствие, разрывы отопительных приборов вызывают большие материальные ущербы и серьезные социальные проблемы. Кроме того, возможны разрушения сетевых подогревателей и встроенных теплофикационных пучков в конденсаторах.
Помимо повышения давления для оборудования системы теплоснабжения представляет опасность резкое снижение давления (до давления вскипания теплоносителя) и возможность возникновения последующей нестационарной (быстрой) конденсации, сопровождающейся значительным локальным увеличением давления. Наиболее часто встречающиеся аварийные ситуации такого рода - это вскипание теплоносителя за водогрейными котлами источников тепла при отключении сетевых насосов и последующая нестационарная конденсация (конденсационные удары) при повторном пуске сетевых насосов или включении резервного насоса. При этом возможны разрушения подающих теплопроводов, ожоговый травматизм персонала. Кроме того, существенную опасность представляет снижение давления в переходных гидравлических режимах на всасывающих патрубках сетевых насосов до давления кавитации. Срыв в работе сетевого насоса и последующий выход из режима кавитации сетевого насоса обусловливает резкий рост давления, которое, распространяясь по системе теплоснабжения со скоростью звука, может вызвать разрушение теплопроводов. Подобные режимы были зафиксированы в некоторых системах теплоснабжения.
Возможность возникновения неустановившихся гидравлических режимов, сопровождающихся недопустимыми давлениями по условиям прочности оборудования, обусловливает необходимость применения методов защиты в указанных режимах.
Для защиты оборудования систем теплоснабжения разработаны и используются различные противоударные устройства и мероприятия. Наибольшее применение нашли быстродействующие сбросные устройства: гидрозатворы-переливы, быстродействующие сбросные клапаны, мембрано-предохранительные устройства.
Выбор защитных устройств и мероприятий в системах теплоснабжения необходимо осуществлять на основе расчетных данных и (или) экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования систем централизованного теплоснабжения.
Защита оборудования в технологически и гидравлически единой системе теплоснабжения должна быть комплексной для того, чтобы предотвратить возникновение недопустимых давлений на оборудовании всех элементов системы теплоснабжения (источника тепла, тепловых сетей, систем теплопотребления) и учесть взаимовлияние средств защиты, установленных в различных точках системы теплоснабжения. Следует отметить, что вопросы защиты оборудования систем теплоснабжения от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах должны решаться, особенно для источников тепла, совместно с вопросами нарушения электроснабжения электродвигателей сетевых насосов и анализа соответствующих систем защиты в схемах электроснабжения источника тепла.Кроме того, внедрение противоударных устройств требует внесения изменений в существующие схемы защиты и автоматизации источников тепла и насосных станций (например, использование автоматики включения резерва (АВР) сетевых насосов, уставки защиты минимального напряжения на отключение электродвигателей сетевых насосов, изменение схем рассечки тепловых сетей на гидравлически изолированные зоны и др.).
Отдельно следует рассмотреть вопрос о внедрении средств защиты без предварительного обоснования (расчетного или экспериментального) системы защит и определения требований к конструктивным параметрам и настройке противоударных устройств. Выбранные неверно средства защиты либо просто не обеспечивают защиту оборудования системы теплоснабжения в аварийных переходных гидравлических режимах, либо могут привести к развитию аварии.
Подобная ситуация может быть проиллюстрирована результатами натурных испытаний, проведенных в одной из систем теплоснабжения, схема которой приведена на рисунке 1. На рис.1 также показан график давления в эксплуатационном гидравлическом режиме. На ТЭЦ циркуляция сетевой воды обеспечивается двухступенчатой группой сетевых насосов типа СЭ 2500-70 (первая степень) и СЭ 2500-180 (вторая ступень) по два насоса в каждой группе. Для защиты сетевых подогревателей типа ПСГ в обратном коллекторе ТЭЦ установлен быстродействующий сбросной клапан (БСК). Обоснование выбора параметров БСК и его настройки не было выполнено в соответствии с вышеуказанными требованиями. Во время натурных испытаний был проведен ряд экспериментов, имитирующих аварийные ситуации. Один из опытов имитировал аварийное отключение одного сетевого насоса второй ступени ТЭЦ. Результаты указанного эксперимента приведены на рис. 2, где показано изменение мгновенных давлений во всасывающем и напорном коллекторах сетевых насосов второй ступени, до сетевых подогревателей типа ПСГ, в подающем и обратном коллекторах ТЭЦ.
Аварийное отключение одного сетевого насоса второй ступени на ТЭЦ из двух работающих обусловило резкий рост давления во всасывающем коллекторе сетевых насосов второй ступени (на 0,3 МПа за 1 с) и резкое снижение давления в напорном коллекторе сетевых насосов второй ступени (на 0,4 МПа за 1 с). Повышение давления, от всасывающего коллектора сетевых насосов второй ступени, проходя по станционным теплопроводам со скоростью звука в воде (с учетом упругих свойств трубопровода ~1000 м/с) привело к повышению давления перед сетевыми подогревателями типа ПСГ. Сложная конфигурация станционных теплопроводов, при значительной протяженности станционных теплопроводов, обусловила усиление роста давления перед ПСГ по сравнению с ростом давления во всасывающем коллекторе сетевых насосов второй ступени (рис. 2). Во время эксперимента сбросной клапан открылся по импульсу повышения давления перед сбросным клапаном до 0,75 кГ/см2 (при времени t=20 c в соответствии с рис. 2). За это время давление перед ПСГ возросло до 1,1 МПа и превысило допустимое значение на 0,3 МПа. Срабатывание сбросного устройства обусловило резкое снижение давления в обратном коллекторе ТЭЦ, и, как следствие, снижение давления в подающем коллекторе ТЭЦ. Снижение давления в подающем коллекторе ТЭЦ, вызванное как аварийным отключением сетевого насоса, так и срабатыванием сбросного устройства, распространяясь по подающему трубопроводу от ТЭЦ к ПНС, приведет к снижению давления во всасывающем коллекторе ПНС.
Снижение давления может обусловить возникновение вскипания сетевой воды при высоких температурах (в зимний отопительный период). Опасность в этом режиме представляет последующая нестационарная (быстрая) конденсация при росте давления, вследствие, например, пуска насосов. Следует отметить, что эксплуатационный гидравлический режим характеризуется давлениями близкими к допустимым величинам, что существенно снижает надежность работы системы теплоснабжения при возникновении аварийных ситуаций. Таким образом, установленное быстродействующее сбросное устройство не только не обеспечило защиту ПСГ на ТЭЦ, но могло обусловить в отопительном сезоне развитие аварийной ситуации до полного останова системы теплоснабжения и разрыва теплопроводов.
При разработке технических решений по защите оборудования рассматриваемой системы теплоснабжения в одном из вариантов было предложено для локализации возмущающих воздействий от отключения сетевых насосов ТЭЦ обеспечить работой АВР сетевых насосов первой и второй ступени по факту отключения электродвигателя рабочего насоса. Установленное сбросное устройство на ТЭЦ должно быть настроено таким образом, чтобы не допускать избыточного снижения давления при его срабатывании, импульс на срабатывание БСК должен определяться давлением перед ПСГ.
Ниже представлен другой пример недопустимости использования противоударных устройств, не обоснованных расчетным и (или) экспериментальным исследованиями переходных гидравлических режимов.
В последнее время компанией «ДКМ Венчурные проекты» предлагается для противоаварийной защиты в системах теплоснабжения от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах и пульсаций давлений стабилизаторы давления.Указанные устройства по принципу своего действия обеспечивают защиту в гидравлических режимах, сопровождающихся незначительными пульсациями давлений (амплитуда колебаний ~ ± 0,04 МПа). Изменения давлений, возникающие в системе теплоснабжения в результате аварийных переходных гидравлических режимах, не имеют характер пульсаций, причем величины повышения давлений составляют 0,5-0,6 МПа и выше, т.е. на порядок более амплитуды колебаний, гасимых стабилизаторами давлений «ДКМ Венчурные проекты». Приведенные на рис. 2 результаты натурных испытаний в системе теплоснабжения это подтверждают. Очевидно, что стабилизаторы давления «ДКМ Венчурные проекты» в рассмотренной ситуации бесполезны. Следует отметить, что допустимым является отклонение давлений от заданного режима в подающих и обратных трубопроводах за головными задвижками источников тепла на 0,02 - 0,4 МПа. Сравнение допустимого диапазона отклонений давлений (0,02 - 0,4 МПа) с экспериментальными данными проверки эффективности работы стабилизаторов давления «ДКМ Венчурные проекты» (~ ± 0,04 МПа) свидетельствует о нецелесообразности применений этой конструкции стабилизаторов в системах теплоснабжения в качестве защитных устройств от недопустимых изменений давлений, возникающих в переходных гидравлических режимах.
Выводы
1. Возможность возникновения аварийных переходных гидравлических режимов, сопровождающихся недопустимыми изменениями давления, обусловливает необходимость защиты оборудования систем теплоснабжения в указанных режимах. Требования выполнения защиты оборудования ТЭЦ, котельных, тепловых сетей и потребителей тепла от недопустимых изменений давлений в переходных гидравлических режимах предусмотрены в нормативно-технических документах: «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ», СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети».
2. Выбор защитных устройств и мероприятий при аварийных переходных гидравлических режимах в системах теплоснабжения необходимо базировать на данных расчетных и (или) экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования систем теплоснабжения.
3. Защита оборудования в гидравлически единой системе теплоснабжения должна быть комплексной, предотвращающей возникновение недопустимых давлений на оборудовании источника тепла, тепловых сетей и систем теплопотребления.
4. Вопросы защиты оборудования системы теплоснабжения от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах должны решаться совместно с вопросами возможных нарушений электроснабжения двигателей сетевых насосов и устранения того или иного аварийного перерыва в электроснабжении.
5. По окончании монтажа системы защиты от недопустимых изменений давлений необходимо проведение натурных испытаний для проверки работоспособности системы защиты и уточнения уставок смонтированной системы защиты.
6. Необходимо уже на стадии выбора схемы теплоснабжения определять места установки насосных станций и запорно-регулирующих устройств и режимы их работы с тем, чтобы при возможных нарушениях в работе оборудования уменьшить последствия аварийных гидравлических режимов.