автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Методическое обеспечение комплексного исследования надежности теплоснабжения

На правах рукописи

Постников Иван Викторович

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.01 - энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

Иркутск-2013

005541493

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Стенников Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты: Ковалев Геннадий Федорович,

доктор технических наук, профессор, ФГБУН Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, ведущий научный сотрудник

Буйнов Николай Егорович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государст-

венный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 9:00 часов на заседании диссертационного совета ДООЗ.017.01 при ИСЭМ СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к. 355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭМ СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета Д003.017.01: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Теплоснабжение является важнейшей сферой обеспечения жизнедеятельности населения и развития всех отраслей экономики. Высокая социально-экономическая значимость теплоснабжающих систем (ТСС) предъявляет повышенные требования к их надежности и экономичности. Развитие централизованного теплоснабжения привело к росту масштабов и усложнению структуры ТСС, в связи с чем появилась потребность в эффективных методах оценки и обеспечения надежности их функционирования.

В последние годы актуальность работ по исследованию надежности теплоснабжения возросла в связи с высокой степенью износа теплопроводов и оборудования ТСС (основное оборудование большинства тепловых электростанций построено в середине прошлого века, износ тепловых сетей в среднем по стране составляет 60%), управлением теплоснабжением городов с участием множества собственников в единой системе, а также перспективными направлениями развития энергосистем на основе принципов распределенной генерации и концепции Smart Grid. Это требует разработки и применения новых подходов к оценке и обеспечению надежности этих систем.

Исследования надежности ТСС на основе методов теории надежности технических систем начали развиваться в конце 1960-х годов. В последующий период было проведено большое количество исследований по надежности ТСС, разработаны методики и модели решения задач анализа надежности источников тепловой энергии (ИТ) и тепловых сетей (ТС), подходы к построению ТСС с требуемым уровнем надежности, обоснована система нормативов. Была сформирована информационная база статистической информации по аварийности элементов ИТ и ТС, необходимая для проведения практических исследований.

Вместе с тем на всех этапах исследования надежности ТСС итоговая оценка показателей надежности (ПН) представляет количественное отражение того или иного свойства надежности ее подсистем - ИТ и ТС. В сложившейся проектной и эксплуатационной практике решение задач надежности осуществляется раздельно для этих подсистем как на уровне анализа, так и принятия решений. Разделение задач приводит к получению обособленных результатов, не учитывающих системные (комплексные) факторы надежности ТСС, связанные с взаимовлиянием элементов как внутри системы (наложение отказов элементов ИТ и ТС), так и на уровне последствий послеаварийных режимов потребления тепловой энергии. Наиболее значительно эти факторы проявляются при работе нескольких ИТ на единые тепловые сети.

Надежность теплоснабжения наряду с готовностью и безотказностью элементов ТСС определяется бесперебойностью топливоснабжения ИТ. В настоящее время разработан ряд моделей функционирования систем топливоснабжения (СТС), позволяющих оценить надежность поставок топлива на уровне топливно-энергетического комплекса региона. Результаты таких оценок практически невозможно интерпретировать для анализа влияния СТС на надежность теплоснабжения потребителей ТСС. В связи с этим необходимы специальные подходы, позволяющие учесть влияние возможных дефицитов топлива на

недоотпуск тепловой энергии от ИТ.

Технологическая связанность, непрерывность и взаимовлияние внутренних и внешних факторов процессов добычи, поставки топлива, производства и распределения тепловой энергии обуславливают целесообразность их совместного исследования с позиций надежности теплоснабжения потребителей, которое бы обеспечило максимальный уровень системности решения задач анализа и синтеза надежности объектов всей рассмотренной технологической цепочки.

Разработка научно-методических подходов, учитывающих перечисленные комплексные факторы надежности, необходима как для развития теоретических методов анализа и синтеза надежности теплоснабжения, так и для решения практических задач в этой области.

Объектом исследования является теплоснабжающий комплекс (ТСК), объединяющий систему топливоснабжения, источники тепловой энергии и тепловые сети (подсистемы ТСК). Предметом исследования является надежность функционирования ТСК и его подсистем.

Цели работы состоят в обосновании и разработке взаимосогласованных методических подходов и методик для постановки и решения задач комплексной оценки надежности теплоснабжающего комплекса и влияния всех его подсистем на надежность теплоснабжения каждого потребителя, а также формирование технических предложений по повышению надежности теплоснабжения потребителей.

Для выполнения поставленных целей необходимо решить следующий комплекс задач:

1. На основе анализа свойств теплоснабжающего комплекса обосновать требования к постановке и методам решения задач расчета и оценки надежности теплоснабжения потребителей.

2. Разработать комплексный подход к анализу надежности теплоснабжения потребителей, обеспечивающий совместное рассмотрение систем топливоснабжения, источников тепловой энергии и тепловых сетей, интегрируемых в теплоснабжающий комплекс.

3. Разработать методику комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей, основанную на вероятностной оценке состояний функционирования ТСК и детерминированном расчете аварийных режимов его подсистем.

4. Предложить модель вероятностного описания состояний функционирования ТСК и его подсистем адекватную условиям их функционирования.

5. Разработать методику оценки дефицитов/избытков топлива, поставляемого на ИТ.

6. Предложить методику поиска оптимального уровня повышения элементной надежности подсистем ТСК

7. На основе выполнения практических исследований реальных теплоснабжающих систем показать эффективность предложенных методических разработок и получение с их помощью технических мероприятий по повышению надежности теплоснабжения потребителей.

Методология исследований опирается на основные положения систем-

ных исследований в энергетике, на теорию гидравлических цепей (ТГЦ), математическое моделирование, теорию надежности. Содержательные исследования базируются на вычислительном эксперименте и практических расчетах.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Постановка и структуризация общей проблемы исследования и анализа надежности теплоснабжающего комплекса и его подсистем.

2. Методические принципы и требования, предъявляемые к моделям анализа надежности на современном этапе развития ТСК.

3. Методика комплексного анализа надежности ТСК, учитывающая взаимосвязь всех его подсистем.

4. Вероятностные модели совместного функционирования подсистем ТСК, основанные на марковских случайных процессах.

5. Имитационный алгоритм оценки дефицитов/избытков топлива на ИТ, основанный на методе статистических испытаний.

6. Методика оптимального повышения элементной надежности подсистем ТСК.

Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемая методика комплексного анализа надежности ТСК позволяет проводить предпроектную оценку надежности теплоснабжения потребителей городов с учетом совместного влияния его подсистем (СТС, ИТ и ТС), а также оценку надежности существующих систем с дальнейшим анализом возможностей ее повышения.

В практических исследованиях важное значение имеет используемый в работе узловой принцип оценки надежности теплоснабжения, согласно которому ее уровень определяется для каждого потребителя. Предложенные в работе узловые показатели надежности (ПН) формализованно учитывают теплоаккуму-лирующие свойства зданий и изменения тепловых нагрузок в течение отопительного периода, что максимально приближает уровень проводимых оценок к реальным условиям функционирования ТСС.

Предложенная в работе методика повышения элементной надежности подсистем ТСК также направлена на решение практических задач планирования их эффективного развития с учетом надежности. Выбор решений осуществляется по экономическому критерию, что актуально в практике проектирования и развития реальных систем, когда ограничен объем выделяемых на эти нужды средств.

Проведен комплексный анализ надежности реальной системы теплоснабжения на примере г. Шелехова. Впервые получена декомпозиционная оценка влияния различных подсистем ТСК (СТС, ИТ и ТС) на надежность теплоснабжения потребителей.

Применение предложенных в работе моделей и методов должно способствовать принятию обоснованных решений по модернизации и реконструкции подсистем ТСК с учетом надежности, в том числе при разработке схем теплоснабжения городов.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методологии системных исследований в энергетике, ма-

тематических моделей и закономерностей общей теории надежности технических систем, теории вероятностей и случайных процессов, теории гидравлических цепей, а также фундаментальных закономерностей теплофикации и процессов теплопередачи.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- заседаниях всероссийского научного семинара с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.; оз. Байкал, 2008 г.; г. Ялта, 2010 г.);

- заседаниях международного научного семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г. Ялта, 2010 г., оз. Байкал, 2013 г.);

- международной конференции «Математические методы в теории надежности. Теория. Методы. Приложения» (г. Москва, 2009 г.);

- заседании российско-украинского научного семинара «Стохастическое программирование и его приложения в энергетике» (г. Иркутск, 2012 г.);

- заседании всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.);

- конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.);

- всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2006, 2007, 2008, 2009,2013 гг.).

Всего по теме диссертации сделано 18 докладов.

Личный вклад автора. Результаты работы, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, в том числе в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК - 3, в коллективных монографиях - 3.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 138 страниц. Работа содержит 43 рисунка и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены элементы научной новизны предложенных в работе методических подходов и достигнутых результатов, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные особенности систем топливоснабжения, источников тепловой энергии и тепловых сетей как объектов исследования надежности, приведен краткий обзор научно-методических достижений в области анализа надежности топливо- и теплоснабжения.

Проблема надежности СТС характеризуется наличием множества внутрисистемных и внешних факторов, влияющих как на объемы добычи и транспор-

тировки топлива, так и на потребности в нем. Этот комплекс факторов имеет неопределенности в периодичности и степени их влияния на конечное соотношение поставок и потребности топлива, что обуславливает широкое применение методов статистики в качестве аппарата для исследования надежности СТС, планирования поставок и запасов топлива.

Вопросам надежности топливоснабжения посвящены работы Хрилева Л.С., Мазура Ю.Я., Некрасова A.C., Великанова М.А., Зоркальцева В.И. и других ученых, в исследованиях которых получен ряд важных результатов для решения задач оценки и обеспечения надежности поставок топлива на источники тепловой и электрической энергии с учетом регулирования потребления топлива и оптимизации его запасов. Накопленный опыт исследований в этой области был конкретизирован в соответствии с целями исследований и применен в диссертационной работе, что позволило эффективно использовать метод статистических испытаний для анализа надежности функционирования С ТС в рамках общей методики комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей.

Современные ТСС различны по конфигурации, структуре, технологии и масштабам, большинство из них сформированы в условиях стихийного расширения и роста нагрузок. Однако все системы имеют общие особенности с точки зрения исследования их надежности: сезонная неравномерность нагрузок, непрерывность потребления тепла, активное и пассивное аккумулирование тепловой энергии, территориальная рассредоточенность потребителей, их категорий-ность по требованиям к надежности теплоснабжения.

В соответствии со сложившейся методологией исследований задачи анализа и синтеза надежности ТСС решаются обособленно для двух ее подсистем -ИТ и ТС. Разнообразные по типу и мощности, ИТ с точки зрения исследований надежности имеют ряд общих особенностей. Технологическую схему ИТ можно представить в виде функциональных блоков или элементов, объединенных в последовательные или последовательно-параллельные технологические схемы. Методы анализа надежности ИТ можно разделить на аналитические, основанные на использовании логико-вероятностных алгоритмов и теории случайных процессов, и методы статистического моделирования. Аналитические методы исследования надежности ИТ предложены в работах Смирнова A.B., Черкесова Г.Н., Туманова С.С., Нефедова Д.В., Клера А.М, Степановой E.JI. и др. Методы статистического моделирования ИТ исследовались в работах Бусленко Н.П., Калашникова В.В., Коваленко И.Н. и др. Среди зарубежных исследований в области надежности систем теплоснабжения можно выделить работы авторов: Haghifam М., Manbachi М., Lisnianski А., Elmakias D.

Тепловые сети крупных ТСС представляют собой сложные многокольцевые структуры, распределенные по территории города, включающие элементы линейной части (трубопроводы), элементы управления (насосные станции, запорная и регулирующая арматура), потребительские установки. Методические подходы анализа надежности ТС основаны на сочетании моделирования гидравлических режимов и вероятностных методов описания их состояний во времени. Общие принципы оценки надежности и резервирования ТС, получившие

практическое применение, были сформулированы Хасилевым В.Я. и Та-кайшвили М.К. Этот подход, ориентированный на расчет узловых ПН, получил развитие в работах по методам анализа функционирования и оптимизации развития ТСС, выполненных в ИСЭМ СО РАН (Меренков А.П., Каганович Б.М., Стенников В.А., Чупин В.Р., Сеннова Е.В. и др.)

Наряду с узловым подходом к оценке надежности ТС, существует другая концепция, основанная на использовании интегрального показателя надежности теплоснабжения. В работах Ионина A.A. предложена методика анализа надежности ТС на основе интегральных ПН. Развитие этой методики в дальнейшем потребовало использования локальных показателей для оценки надежности отдельных зон сети.

Анализ рассмотренных методических подходов позволил сформулировать направления их развития и совершенствования, конкретизировать цель работы, обосновать научную и практическую значимость комплексного исследования надежности СТС, ИТ и ТС, сформулировать содержательную постановку задачи комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей.

Во второй главе рассмотрены основные функциональные особенности ТСК и его подсистем, определяющие выбор методов исследования их надежности. Представлен способ формирования множества состояний и событий ТСК, на основе которого производится совместное вероятностное моделирование функционирования его подсистем. Дана общая схема методики комплексного анализа надежности ТСК и укрупненно описаны ее основные этапы.

Общий алгоритм комплексного анализа надежности ТСК укрупненно показан на рис. 1. Весь комплекс моделей и методов рассматривается на трех уровнях - на уровне СТС, ТСС и всего ТСК в целом. Все множество рассматриваемых задач может быть разделено на два блока - вероятностное моделирование функционирования комплекса и анализ (расчет) режимов функционирования его подсистем.

Топологической основой для решения первого подмножества задач является функциональная расчетная схема ТСК, сформированная путем объединения схем всех его подсистем, которые приводятся к единообразному отображению структуры и связей элементов. На основе анализа технологически возможных событий в подсистемах комплекса формируется множество состояний ТСК как сочетание состояний его подсистем. Данное множество может также учитывать факторы внесистемного происхождения (внешние), однако, это требует предварительного исследования и статистического анализа их влияния на показатели функционирования рассматриваемых объектов.

Оценка вероятностей состояний ТСК производится с учетом заданных характеристик надежности элементов (интенсивностей отказов и восстановлений) на основе модели марковского случайного процесса.

Анализ аварийных режимов функционирования ТСК осуществляется на уровне его подсистем с использованием различных математических моделей, учитывающих их технологические особенности. Оценка последствий нарушений топливоснабжения может быть проведена с помощью одного из двух подходов - структурного моделирования транспортных потоков топлива и метода

статистических испытаний. Применение последнего метода не требует наличия элементной схемы СТС, поэтому комплексное представление и построение марковской модели ТСК может осуществляться в рамках объединения ИТ и ТС.

тек

3

Комплексное представление схем подсистем ТСК в единой сетевой структуре

Формирование множества возможных состояний ТСК как сочетаний состояний его подсистем (СТС и ТСС)

Вероятностная оценка влияния внешних факторов на надежность функционирования подсистем ТСК

Вероятностное моделирование

функционирования ТСК с помощью моделей марковского процесса_

Расчет узловых показателей надежности теплоснабжения потребителей

Вероятности состояний ТСК

Ы.

Показатели надсжностн: коэффициент готовности, вероятность безотказной работы. псдоотпуск тепла и др-

Рис. 1. Общий алгоритм оценки надежности ТСК

Уровни обеспеченности топливом ИТ (дефицит и избытки), полученные на этапе моделирования системы топливоснабжения, определяют их производительности на расчетный период (отопительный сезон). Эти показатели имеют как самостоятельное значение для анализа надежности системы топливоснабжения, так и используются при моделировании потокораспределения в ТСС с учетом возможных отказов оборудования ИТ и ТС. По их результатам оцениваются уровни аварийной подачи тепловой энергии потребителям во всех состояниях ТСК, учитывающих нарушения работы всех его подсистем.

Вероятности состояний ТСК и уровни подачи тепловой энергии потребителям в этих состояниях используются при вычислении узловых ПН, которые характеризуют надежность функционирования всего комплекса относительно каждого потребителя (рис. 1). При определении этих показателей также учитывается временная избыточность в системе, обусловленная теплоаккумулирую-щими свойствами зданий.

Третья глава посвящена построению вероятностных моделей функционирования ТСК и его подсистем на основе марковского случайного процесса. Предложен ряд марковских моделей, учитывающих различные условия форми-

рования графа состояний и связей между ними.

Функционирование ТСК с точки зрения вероятностного описания характеризуется последовательностью событий отказов и восстановлений элементов всех его подсистем, происходящих с определенной частотой. С учетом условий простейшего потока событий функционирование ТСК описывается стационарной марковской моделью, которая представляется следующей системой линейных алгебраических уравнений (уравнения Колмогорова для стационарного режима):

Рз = ЦРг^а* <>еЕ> 0)

5>,=1; (2)

где 5 и г - номера состояний; р! и рг - вероятности состояний; Е - все возможные состояния комплекса; Е] - подмножество состояний, в которые возможен непосредственный (без промежуточных состояний) переход из состояния 5 ; Е2 - подмножество состояний, из которых возможен непосредственный переход в состояние 5 ; интенсивности переходов из состояний .? в г, где геЕ\\ интенсивности переходов в состояния $ из состояний где

г е Е2 ■

Простейший граф состояний подсистем ТСК и переходов между ними показан на рис. 2.

Рис. 2. Простейший граф переходов между состояниями ТСК

Полностью работоспособное состояние ТСК «О» эквивалентно совмещению работоспособных состояний всех подсистем, а область отказовых состояний соответствует сочетаниям одновременных отказовых состояний для одной, двух, трех и всех четырех подсистем. Двунаправленные переходы между состо-

яииями символизируют два события - отказ и восстановление, происходящие с заданными интенсивностями, индивидуальными для рассматриваемых элементов под систем. Согласно условию ординарности потока событий в одном направлении происходит только одно событие.

Разработаны модификации марковской модели функционирования ТСК с учетом неординарности потока событий (при одновременной реализации нескольких событий) и зависимости между ними.

При эксплуатации таких сложных систем как ТСК происходит большое количество различных технологических процессов, при этом нарушения функционирования нескольких объектов одновременно представляются более вероятными событиями, чем в пределах отдельных подсистем.

Граф переходов между состояниями, соответствующий двойным событиям, показан на рис. 3. Каждая дуга графа в одном направлении предполагает один из трех вариантов сочетаний: двух отказов, двух восстановлений и одновременно одного отказа и одного восстановления элементов.

Рис. 3. Пример графа состояний ТСК с учетом двойных событий (соответствует графу на рис. 2): а, б - две группы переходов, соответствующих структуре двойных событий, в - схема формирования графа неординарных переходов.

Стационарная марковская модель функционирования ТСК для неординарного потока событий (переходов между состояниями) в общем виде представляется следующим выражением:

(

IX + X 5>»

где vsm, и 1/

¡М>и \VSli

= ЦРгУ'.з + Е (3)

I А=1, (4)

5е£

интенсивности неординарных переходов из состояния 5 в со-

стояние ы и обратно для и -го уровя неординарности событий; и те - множество состояний и каждое из них в отдельности, в которые комплекс может перейти из состояния л вследствие одновременной реализации нескольких событий; и Е*2 - вероятность и множество состояний, из которых комплекс может перейти в состояние 5 вследствие одновременной реализации нескольких событий; и - уровень неординарности потока событий, соответствующий количеству одновременно происходящих отказов и (или) восстановлений; и -число рассматриваемых уровней неординарности.

При функционировании ТСК наряду с одновременной реализацией нескольких событий также могут происходить зависимые события. Формирование множества состояний ТСК с учетом зависимости между событиями осуществляется с использованием условных вероятностей отказов и (или) восстановлений элементов.

На рис. 4 показан фрагмент графа состояний ТСК, отражающий структуру событий при наличии зависимых отказов (Л,) и восстановлений (//, ) элементов. Величины <ркп и укП представляют собой условные вероятности отказа и восстановления элемента к от режима работы (состояния) элемента г.

у............

щ :ЛЛП тё ) №

Л0-Гм}

Ц1+ъ><)

Рис. 4. Принцип построения графа состояний подсистем ТСК с учетом зависимых событий

Стационарная марковская модель функционирования ТСК с учетом неординарности и зависимости между событиями представляется следующим образом;

г

Р, 5>„(2±£,/,)+ I

гЕЕ2 и^и \ГЕЕ'2

^ р5 = 1; при условиях:

О < С2,5 < 1, > О < < 1, > У^иИ'

0<С5/г <1. >уаи'-> где 4",,Л и ¿Г5/г - условные вероятности ординарных переходов комплекса из состояний г в 5 и обратно соответственно; и - условные вероятно-

(5)

(6) (7)

сти неординарных переходов комплекса из состояний »пи обратно соответственно; и I/,, /, - интенсивности зависимых переходов из состояния 5 в состояние г и обратно; vsmlls, - аналогичные показатели для неорди-

нарных переходов. Каждой величине соответствует либо отказ, тогда Сг15=<Рк1и либ° восстановление, тогда С21з~Тки (*>' - элементы подсистем ТСК). При условии модель (5) соответствует выраже-

нию (3).

Предложен методический подход к учету внешних факторов, не связанных с отказами элементов, но влияющих на надежность теплоснабжения потребителей (например, климатический фактор). Подход используется на уровне вероятностного моделирования функционирования ТСК и основывается на введении в структуру состояний ТСК «отказа» имитирующего элемента (ИЭ), который происходит с интенсивностью реализации имитируемого внешнего фактора. В результате формируется подсистема состояний ИЭ, отражающая взаимосвязь внешних воздействий как с внутрисистемными процессами, так и между собой. Полученная структура представляется в виде графа, учитывающего полный комплекс моделируемых состояний с учетом взаимосвязей внутри- и внесистемной группы событий.

В четвертой главе представлены методы, модели и алгоритмы расчета последствий аварийных режимов функционирования подсистем ТСК. Этот расчет осуществляется в соответствии с двухэтапной схемой, описанной в главе 2. На первом этапе определяются уровни поставок топлива на ИТ при реализации различных нарушений топливоснабжения. Для этих целей обосновано применение имитационного алгоритма с использованием метода статистических испытаний. На втором этапе производится анализ аварийных режимов в ТСС с использованием методов эквивалентирования и расчета тепловых схем ИТ, и моделей потокораспределения в ТС.

Моделирование функционирования СТС направлено на определение возможных дефицитов или избытков топлива на ИТ в течение отопительного периода и основано на формировании непрерывных или дискретных распределений величин потребностей (а„) и поставок (Ьп) топлива:

<С ЬГ*

1/(ая)4а„= 1, ¡/(Ь„)М„= 1; (8)

а"'"

Лвл)= о, Д6„)= о, если ап «ьГ^П, ь„ * [¿Га™*]; (9) где /(а„) и /(Ь„) - плотности распределения случайных величин ап и Ьп,

а™ш,а™ах и 6™п,6™ах - диапазоны их изменений. В случае дискретных распределений в выражениях (8)-(9) используются суммы.

С помощью этих распределений производятся статистические испытания, в результате которых генерируются уровни потребностей и поставок топлива (а'„ и Ь'п) для каждого г -го ИТ в интервале времени п, п = 1, N. Далее в пределах заданного временного интервала п и для каждого г -го ИТ реализуется ал-

горитм распределения топливных поставок с учетом запасов топлива (сезонного и текущего) в системе возможного замещения топлива между ИТ. В результате для всех ИТ определяются величины дефицита и запасов топлива на последующий интервал п +1. Последний шаг соответствует интервалу п - N .В результате работы алгоритма формируется N пар величин (дефицита и запасов) для каждого ИТ. В случае нерасчетного снабжения топливом ИТ, полученные значения дефицитов топлива используются для определения недоотпуска тепла от ИТ в результате нарушений работы СТС. Полученные величины недоотпуска от ИТ используются при расчете теплогидравлических режимов в ТС, в результате которого определяются уровни подачи тепловой энергии потребителям как с учетом отказов ТСС, так и с учетом нарушений поставок топлива.

Расчет послеаварийных1 режимов в ТС необходим для определения уровня подачи тепловой энергии каждому потребителю при отказах элементов ИТ и ТС. Каждый из этих режимов определяется установившимся после отключения аварийного элемента потокораспределением, расчет которого осуществляется с помощью математических методов теории гидравлических цепей. Узловая форма записи модели потокораспределения (гидравлических режимов) в ТС, представленная в матричной форме, имеет вид:

Ах = д, (Ю)

Атр = А - Я, (П)

БХх = И, (12)

где А - матрица соединений для линейно независимых узлов, х - вектор расходов теплоносителя на участках сети; £ - вектор расходов теплоносителя в узлах расчетной схемы (применительно к потребителю у в состоянии комплекса ^ обозначается как gSj); А1 - транспонированная матрица А (А - полная матрица соединений узлов и ветвей схемы сети); р - полный вектор давлений в узлах сети; /г, Я - векторы потерь напора и действующих напоров на участках сети; 5, X - диагональные матрицы гидравлических сопротивлений и расходов на участках сети.

Уровни подачи тепловой энергии д^ определяются по следующей известной зависимости2:

под-'обр).

где с - теплоемкость теплоносителя; г(юд и ?обр- температуры сетевой воды в

подающем и обратном трубопроводах соответственно.

Итоговая оценка надежности производится с использованием выражений для расчета узловых ПН, предложенных в методике оценки надежности ТС (Сеннова Е.В.), уравнения Россандера и теплофизической модели остывания

1 Под послеаварийным понимается гидравлический режим, который устанавливается в сети после отключения отказавшего элемента на время его восстановления.

2 Формула (13) справедлива для отопительно-вентиляционной нагрузки, в общем случае необходимо учитывать расход воды на горячее водоснабжение.

зданий. На их основе автором предложены следующие зависимости для расчета узловых ПН с формализованным учетом теплоаккумулирующего эффекта зданий и графика тепловых нагрузок:

- коэффициент готовности для потребителя _/:

А

1-й)

1 ор/

С, - С2 ехр В С3(1-ехр5)

-9,

"У

- вероятность безотказной работы для потребителя } :

Лу = ехр

-ЕЕ о

геЕзеЕ^

1—со

1—

С| — С2 ехр5^| ^ С3(1 -ехр#) )~9п*

'Л*

(14)

,(15)

С, С2=?7тш -/0Д1;) С3=1-?у, В = р~\у™*у\ (16)

® = 9он/^ору» й^ЧоуЫщ' а = (\-8)1(8-а), (17)

где а? и ¿> - коэффициенты неравномерности графика тепловой нагрузки; дор/-, 9он/ > 9ос/ _ расчетная отопительная нагрузка, отопительная нагрузка, соответствующая началу отопительного периода и средняя за отопительный период; ?гв/ ~ тепловая нагрузка горячего водоснабжения; = qSj!q0j - относительное

снижение подачи тепловой энергии в состоянии я - расчетная тепловая нагрузка потребителя); (¡>] - постоянный коэффициент, зависящий от теплофи-зических свойств здания; р0- вероятность полностью работоспособного состояния ТСК; г0-продолжительность отопительного периода; /0у, -расчетная и минимально допустимая температура воздуха в помещениях; V™* - максимальная для состояния 5 интенсивность перехода в работоспособное для потребителя } состояние г (г е Е}, где Е} - множество работоспособных для потребителя у состояний системы, в которые она может непосредственно перейти из состояния 5 ); /7 - коэффициент тепловой аккумуляции зданий.

Пятая глава содержит методику повышения элементной надежности подсистем ТСК, основанную на методах и моделях комплексного анализа надежности, представленных в предыдущих главах. Улучшение свойств надежности элементов подсистем ТСК является одним из возможных методов повышения надежности теплоснабжения потребителей и сочетает в себе свойства структурного и функционального резервирования.

Постановка задачи оптимального повышения элементной надежности ТСК состоит в определении таких параметров надежности его элементов (интенсив-ностей отказа и восстановления), которые обеспечивают требуемый уровень надежности теплоснабжения потребителей при минимальных затратах на достижение этих параметров и ограничений на технически возможные их значения. Общая схема методики заключается в расчете интегральных параметров надежности элементов и дальнейшем оптимальном распределении суммарного

эффекта повышения надежности по элементам подсистем ТСК.

Под интегральным параметром надежности понимается интенсивность отказов или восстановлений всех элементов системы или некоторой группы элементов, имеющая значение, одинаковое для этой группы и обеспечивающее требуемый уровень ПН для одного или нескольких потребителей. Выбор группы элементов осуществляется на основе критерия «глубины отказа», в соответствии с которым все состояния ТСК для потребителя } разделяются на два подмножества: условно отказовые -Е" и всех остальные - Е^.

Интегральная интенсивность отказов элементов, определяемая для группы элементов, соответствующих множеству состояний Еп}, рассчитывается по следующей формуле:

1

I I г,

— 1п(1//ф- 2 I vaтч

Ро

геЕлеЕ;

(18)

ге£.уе£"

где г • - время в течение отопительного периода, на протяжении которого состояние 5 является отказовым для потребителя j; - требуемое значение вероятности безотказной работы; Уа - интенсивности переходов в состояния зеЕ}.

Ниже приведены выражения для расчета интегральных интенсивностей восстановления из состояний группы Е":

( р\п \ 'с4с3

1С4С3 -Сг))

( /?1п \ ( С6С3 -41

1с6с3

C\■=tйj{\-qsj), С2=1]тт С3 = \-q.j,

С л —tt..

с / /

Чпу Чащ ( ЪРУ

1 -К {

\а

IДС5.

seE'i

С5 = (1 - со)' (1 - (/5у - гт] - ЯГЕ])1ч0у), <Р) Ь

Сб - 'у'

С7

('„ИХ)

-1

Р О геЕгеЕ)

(19)

(20) (21)

(22)

(23)

(24)

(25)

- интегральные интенсивности восстановления элементов, соответствующие переходным вероятностям из состояний группы 5 е Е^, определяемые относительно требуемого коэффициента готовности и вероятно-

сти безотказной работы (Rj) соответственно.

Параметры надежности элементов при минимизации суммарных затрат на достижение их требуемого уровня относительно потребителя j с учетом ограничений на значения этих параметров определяются в результате решения следующих задач:

- определение интенсивностей отказов элементов:

= S/B("»)->min. (26)

S^ziPs =Vzs(R) X>5. (27)

ssE' seE"

vf<vzs<C,^£*; (28)

- определение интенсивностей восстановлений элементов:

= (29)

seEj

IXz Р^^адЕл, (30)

seE"

v™<vsz<v™\seE"j-, (31)

где rfs и rf. - суммарные затраты на снижение интенсивностей отказов (v2S) и восстановления (vK) элементов; fzs(v2s) и /ZJ(vH) - аналитические функции затрат на снижение vzs и повышение vJZ; v™n, v™n и v™ax, - границы технически возможных значений искомых параметров надежности. В приведенных выражениях параметры надежности элементов выражены в виде интенсивностей перехода марковского случайного процесса, каждому из которых соответствует определенная интенсивность отказа или восстановления элемента: 1, = vzs, nt = vsz, j g E", где E" - группа интенсивностей перехода случайного процесса, соответствующая одному отказу элемента i.

Функции затрат fzs(yzs) и fzs(vsz) могут быть получены методами аппроксимации фактических данных о стоимости оборудования с различными характеристиками надежности, затратах на установку резервных элементов, содержание аварийно-восстановительных служб (ABC) различного состава и других мероприятий по повышению параметров надежности элементов.

Основные этапы решения задачи повышения элементной надежности ТСК с применением изложенной методики схематично представлены на рис. 5.

На рис. 6 приведена одна из возможных интерпретаций практического применения предложенной методики оптимального повышения элементной надежности. График содержит ряд зависимостей вероятности безотказной работы ТСС относительно самого ненадежного потребителя от суммарных затрат на восстановление элементов, определяемых составом ABC. Например, при затратах 38 млн.руб./год надежность пониженного уровня теплоснабжения по-требителёй, соответствующего r; min = 16°С, характеризуется значением вероятности безотказной работы 0,87 (точка А). Для достижения его нормативного

уровня 0,905 необходимо повышение затрат на содержание и обеспечение аварийных ремонтов до 69 млн.руб./год (точка В).

Затраты на мероприятия по повышению надежности элементов подсистем

стоимость более нааежного оборудования; затраты на резервирование элементов; затраты на содержание ABC различного состава; стоимость оснащения подсистем ТСК комплексами противоаварийной автоматики и затраты на другие мероприятия

Формализация затрат на повышение надежности элементов подсистем ТСК

1. Аналитические функции затрат на снижение интенсивностей отказов

элементов:

гя = /(V,, )

2. Аналитические функции затрат на

повышение интенсивностей

восстановлений элементов: = /("«)

«Новые» параметры надежности элементов

'«.<!). 1 6 Еj '«Р»> > е E"¡

Выбор рационального количества искомых параметров надежности элементов

< о

> £Та

с=0

1

Результаты комплексной опенки надежности ТСК и его подсистем

К.- коэффициент готовности /? - вероятность безотказной

Диапазоны изменения параметров надежности элементов подсистем

I. Интенсивности отказов:

™п 5 v,s й V?™ ,ss Ej,v2s = Я,;

2. Интенсивности восстановлений: ™п < £ f™* , S € Ej, = Pj.

Требования к показателям надежности (ПН)

ÍWI |

при выполнении условий:

Марковская модель функционирования ТСК и/или его подсистем

Определение максимальных ПН

Проверка точности решения

Í№H/1„,~/ffl°„))IOO%>A0j ______

' ñ ...... 1 I Расчет о

завершен й

ПН с учетом

К

параметров

\ П R II1 !

Расчет интегральных параметров надежности __элементов ТСК_

Распределение интегрального потенциала повышения надежности по элементам подсистем ТСК

seEj

rl = X /(",=) -

Е va Р* ~ "-•» £ Р <

„Е-J _ «я;

Р' ЕР,

1 .Интенсивность отказов 1

ВД/ф-Е Zv«

zeF.fbE]

2. Интенсивность восстановлений (выбирается наибольший параметр относительно К или R):

Рис. 5. Алгоритм оптимального повышения элементной надежности ТСК

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Затраты на восстановление элементов ТСС, млн.руб./год

Рис. 6. Вероятность безотказной работы ТСС при различных затратах на восстановление элементов и уровнях надежности теплоснабжения потребителей

В шестой главе представлены результаты комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей г. Шелехова, расчетная схема ТСС которого показана на рис. 7. и включает один ИТ мощностью 440 Гкал/ч и тепловую сеть с протяженностью магистральной части 15,7 км.

Расчеты проводились в соответствии с предложенными в работе методами, моделями и алгоритмами.

Рис. 7. Расчетная схема ТСС г. Шелехова

Вероятностное моделирование функционирования ТСК г. Шелехова для оценки его надежности осуществлялось с помощью марковской модели (1)-(2) в соответствии со структурой состояний и событий, отображенной на рис. 8. Представленный граф учитывает как отказы элементов ИТ и ТС (состояния 189 и их сочетания), так и состояния, соответствующие дефицитам топлива, рассчитанным на основе статистического моделирования функционирования С'ГС (глава 4). Эти состояния представлены отказами ИЭ с номерами 90, 91 и их сочетания с отказами элементов ИТ и ТС.

Определение уровней подачи тепловой энергии потребителям в различных состояниях осуществляется на основе многовариантных расчетов потокорас-пределения в ТС с помощью модели (10)-(12) и зависимости (13).

Проведена декомпозиционная оценка надежности по подсистемам ТСК, на основе которой определены степени влияния каждой из них на итоговый уровень надежности теплоснабжения потребителей.

Результаты комплексного и декомпозиционного анализа надежности теплоснабжения потребителей г. Шелехова в обобщенном виде представлены в

табл. 1. В таблице даны диапазоны значений коэффициента готовности (К) и вероятности безотказной работы (Я) для ТСК и его подсистем. В границах этого диапазона содержатся значения показателей для всех потребителей. Расчет ПН осуществлялся по формулам (14)-(17). В таблице также приведены значения дополнительных ПН: времени снижения температуры внутреннего воздуха ниже расчетного значения (2Г) и количества отказов теплоснабжения (а) за отопительный период.

(41+911

(41+901

(42+91]

(43+911

(42+901

(43+90)

(89+91)

СТС+ИТ

(89+90)

2+89

(11+42) ! (11+43Х! \ ЧИТ+ТС

(41+89)

(1+42+90).....(2+89+90*)

1^1+42+90).....(41+89+90)

(Т+42+90).....(1+89+90)

(1+42+91).....(1+89+91)

(2+42+91).....(2+89+91)

(41+42+9?).....(^1+89+91)

Рис. 8. Граф состояний ТСС г. Шелехова с учетом аварийных режимов СТС

На основе анализа декомпозиции ПН укрупненно (в рамках подсистем ТСК) сформулированы направления повышения надежности расчетного и пониженного уровней теплоснабжения потребителей города.

Таблица 1. Обобщенный результат комплексного и декомпозиционного анализа надежности теплоснабжения потребителей г. Шелехова

Система Диапазоны значений узловых ПН Увеличение ПН для подсистем относительно всего ТСК, % Доля потребителей с нормативным уровнем ПН, %

К Я 2, ч а, 1/год К К К

тт тах тт тах тах тт тах тт

тек 0,877 0,949 0,864 0,962 708 291 0,15 0,04 - - 0 68

СТС 0,896 0,969 0,889 0,985 602 179 0,12 0,02 2,1 2,6 0 88

тсс 0,902 0,976 0,873 0,967 564 138 0,14 0,03 2,8 0,7 0 74

ИТ 0,926 0,994 0,904 0,987 428 36 0,1 0,01 5,1 4,6 9 56

тс 0,911 0,987 0,883 0,983 513 75 0,12 0,02 3,9 2,2 0 53

Повышение надежности теплоснабжения расчетного уровня (коэффициента готовности) связано в большей мере с регулированием и увеличением запасов топлива, а пониженного - с реализацией комплекса мероприятий по эле-

ментному и структурному резервированию ТС.

В заключении диссертационной работы приведены основные выводы по результатам исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализированы существующие методы анализа надежности систем топливоснабжения, источников тепловой энергии и тепловых сетей. На основе проведенного анализа предложены пути развития исследований в этой области. В качестве основного направления исследований поставлена задача комплексного анализа надежности теплоснабжения и разработка методического обеспечения для ее решения.

2. Предложен комплексный подход к анализу надежности теплоснабжения потребителей, заключающийся в совместном рассмотрении систем топливоснабжения (включая добычу и транспортировку топлива), источников тепловой энергии и тепловых сетей, интегрируемых в теплоснабжающий комплекс. Подход предполагает формирование единой структуры состояний этих систем и связей между ними (событий), на основе которой и производится анализ их надежности.

3. Разработана методика комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей, включающая два основных расчетных блока - вероятностную оценку функционирования ТСК и расчет аварийных режимов его подсистем. В основу методики легли как существующие методы и модели расчета аварийных режимов функционирования ИТ и ТС, так и специальные модели вероятностной оценки совместного функционирования подсистем ТСК.

4. Предложены модели вероятностного описания функционирования ТСК и его подсистем, основанные на использовании теории марковского случайного процесса. Разработаны модификации базовой стационарной марковской модели, направленные на учет неординарности потока событий (в частности, одновременных отказов) и зависимостей между различными событиями в подсистемах ТСК. Применение этих моделей должно обосновываться с точки зрения соответствия учитываемых факторов условиям функционирования реальных систем.

5. Разработана методика оценки дефицитов/избытков топлива, поставляемого на ИТ. В основе методики лежит имитационный алгоритм, основанный на методе статистических испытаний с входными данными о распределении случайных величин потребностей и поставок топлива на ИТ. Методика позволяет определять соотношения поставок и потребностей топлива в течение любого расчетного интервала отопительного периода, которые используются для оценки недоотпуска тепловой энергии от ИТ, обусловленного дефицитами топлива.

6. Получены зависимости для определения основных узловых ПН (коэффициента готовности и вероятности безотказной работы), позволяющие производить оценку надежности теплоснабжения потребителей с формализованным учетом изменения тепловых нагрузок в течение отопительного периода и теп-лоаккумулирующего эффекта зданий. За счет учета указанных факторов значе-

ния вычисляемых показателей дают наиболее приближенную к реальным условиям оценку надежности.

7. Предложена методика оптимального повышения элементной надежности подсистем ТСК. Предложенный методический подход состоит в экономически рациональном распределении суммарного эффекта повышения надежности по элементам схемы ТСК или его подсистем, предварительно рассчитанного с помощью интегральных параметров надежности элементов.

Практическое применение методики повышения элементной надежности продемонстрировано на примере решения задачи оптимального повышения ин-тенсивностей восстановления элементов тестовой схемы ТСС.

8. Проведены практические исследования при решении задач комплексного анализа надежности теплоснабжения г. Шелехова с использованием методов и моделей, предложенных в работе. Впервые осуществлена декомпозиционная оценка надежности СТС, ИТ и ТС с использованием узловых ПН, по результатам которой укрупненно сформулированы предварительные направления по повышению надежности расчетного и пониженного уровней теплоснабжения потребителей.

Представленные результаты практических исследований направлены на создание базы для принятия дальнейших решений по поиску оптимального соотношения мер повышения надежности подсистем ТСК. Рациональное распределение надежности как по подсистемам ТСК, так и по способам ее обеспечения представляет собой комплекс специальных задач синтеза надежности, составляющих предмет дальнейших исследований в рамках направлений настоящей работы.

На основе проведенных практических исследований продемонстрировано успешное применение предложенных в работе методов и моделей комплексного анализа надежности теплоснабжения.

Представляется, что проведенные в работе исследования и их результаты обеспечивают новый научно-методический уровень решения задач надежности теплоснабжения потребителей, раскрывая преимущества комплексного учета свойств систем топливоснабжения, источников тепла и тепловых сетей, а также других факторов и условий, влияющих на надежность функционирования этих систем. Применение предложенных методов и моделей в практических расчетах увеличит возможности резервирования подсистем ТСК, максимально используя взаимозаменяемость их элементов и структурные межсистемные связи.

Направления дальнейших исследований связаны с развитием представленных в работе методов и моделей и разработкой на их основе научно-методической базы для оптимального синтеза надежности подсистем теплоснабжающего комплекса.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в рекомендованных ВАК журналах

1. Стенников В.А., Постников И.В. Развитие методов анализа надежности теплоснабжения // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, № 5-6, 2010. - Изд. КГЭУ, С. 28-40.

2. Стенников В.А., Постников И.В. Комплексный анализ надежности теплоснабжения потребителей // Известия РАН. Энергетика. № 2, 2011. - М.: Наука, С. 107-121.

3. Стенников В.А., Постников И.В. Методы комплексного анализа надежности теплоснабжения // Электрические станции, № 10, 2013. - М.: НТФ «Энергопрогресс», С. 22-30.

Прочие публикации

4. Постников И.В. Оценка вероятностных показателей надежности теплоснабжения потребителей // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. - С. 263-267.

5. Стенников В.А., Ощепкова Т.Е., Мирошниченко В.В., Постников И.В. Проблемы и методы повышения надежности теплоснабжения потребителей (на примере теплоснабжающей системы г. Киева) / Малая энергетика в системе обеспечения экономической безопасности государства. Под общ. ред. Г.К. Во-роновского, И.В. Недина. - Киев: Знания Украины, 2006. - 364 с. - С. 119-129.

6. Постников И.В. Методический комплекс анализа надежности теплоснабжающей системы // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007, С. 222-229.

7. Постников И.В., Пеньковский A.B. Разработка моделей и алгоритмов для решения задач комплексной оптимизации развивающихся теплоснабжающих систем // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - С. 314-323.

8. Стенников В.А., Постников И.В. Комплексная оценка надежности теплоснабжения потребителей / Трубопроводные системы энергетики. Развитие теории и методов математического моделирования и оптимизации - Новосибирск: Наука, 2008, С. 139-157.

9. Постников И.В. Повышение параметров восстановления ТСС // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009, С. 280-285.

10. Постников И.В. Учет внешних факторов при оценке надежности теплоснабжения потребителей // Повышение эффективности производства и исполь-

зования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009, С. 271-275.

11. Stennikov V.A., Postnikov I.V., Sennova E.V. Development of methods for analysis of heat supply reliability / Труды VI Международной конференции «Математические методы в теории надежности. Теория. Методы. Приложения». -М.: Российский университет дружбы народов, 2009, С. 459-463.

12. Стенников В.А., Постников И.В. Система моделей и методов комплексного анализа надежности теплоснабжения // Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем: труды XII Всероссийского научного семинара с международным участием. — Иркутск: 2010, С. 215-228.

13. Стенников В.А., Постников И.В. Исследование и обеспечение надежности ТСС / Системные исследования в энергетике: Ретроспектива научных направлений СЭИ-ИСЭМ, отв. ред. Н.И. Воропай. - Новосибирск: Наука, 2010. -686 е., С. 385-394.

14. Стенников В.А., Постников И.В. Оптимизация параметров восстановления и отказа элементов ТСС // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 61. - Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2011, С. 414-426.

15. Стенников В.А., Постников И.В. Методы комплексного анализа надежности теплоснабжения // Стохастическое программирование и его приложения: материалы российско-украинского научного семинара. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012, С. 447-482.

16. Постников И.В. Оптимизация элементной надежности теплоснабжающих систем // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013, С.194-198.

Лицензия ИД №00639 от 05.01.2000. Лицензия ПЛД №40-61 от 31.05.1999. Бумага писчая. Печать офсетная. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,45. Тираж 100 экз. Заказ № 201.

Отпечатано полиграфическим участком ИСЭМ СО РАН. 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201453044

Постников Иван Викторович

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Стенников В.А.

Иркутск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ....................................... 4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

1 СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ ТОПЛИВО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Методы анализа надежности топливоснабжения..................... 12

1.1.1 Характеристика систем топливоснабжения и особенности исследования их надежности................................................................ 12

1Л .2 Методы анализа надежности топливоснабжения источников теплоты........................................................................................ 14

1.2 Методы анализа надежности теплоснабжения........................ 15

1.2.1 Некоторые особенности исследования надежности теплоснабжающих систем........................................................................ 15

1.2.2 Краткая характеристика современных источников теплоты и методы анализа их надежности..................................................... 16

1.2.3 Краткая характеристика современных тепловых сетей и методы анализа их надежности......................................................... 18

1.3 Анализ рассмотренных методов исследования надежности топливо- и теплоснабжения и постановка вопроса........................ 21

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

2.1 Технологическая структура теплоснабжающего комплекса

и его особенности как объекта исследования надежности......... 24

2.2 Структура состояний и взаимосвязь событий ТСК.................. 28

2.3 Общая схема методики анализа надежности ТСК...................... 32

Выводы по главе 2............................................................... 37

3 ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТСК И ЕГО ПОДСИСТЕМ

3.1 Характеристика случайного процесса функционирования

ТСК................................................................................. 39

3.2 Марковская модель функционирования ТСК......................... 41

3.3 Построение графа состояний ТСК.......................................... 42

3.4 Вероятностное моделирование функционирования ТСК при неординарном потоке событий............................................. 46

3.5 Вероятностное моделирование функционирования ТСК с учетом зависимых событий......................................................... 50

3.6 Учет внешних факторов при вероятностном моделировании

ТСК................................................................................. 58

Выводы по главе 3............................................................... 61

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ ТСК И РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

4.1 Моделирование функционирования системы топливоснабжения.................................................................................. 64

4.1.1 Статистический подход к моделированию

функционирования СТС.......................................................... 64

4.1.2 Имитационный алгоритм функционирования СТС........................ 66

4.2 Оценка аварийных режимов функционирования теплоснабжающей системы............................................................... 69

4.2.1 Расчет аварийных режимов ИТ............................................... 69

4.2.2 Расчет послеаварийных режимов ТС........................................ 72

4.3 Расчет узловых показателей надежности теплоснабжения потребителей тепловой энергии............................................ 74

4.4 Принципы декомпозиционной оценки надежности ТСК............. 81

Выводы по главе 4............................................................. 82

5 МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ НАДЕЖНОСТИ ПОДСИСТЕМ ТСК

5.1 Постановка задачи............................................................. 83

5.2 Методика оптимального повышения элементной надежности подсистем ТСК.................................................................. 84

5.2.1 Определение интегральных параметров надежности элементов при заданных требованиях к показателям надежности теплоснабжения............................................................................... 85

5.2.2 Распределение интегральных параметров надежности по элементам при минимизации затрат на повышение надежности............... 89

5.3 Расчетный пример оптимального повышения интенсивностей

восстановления элементов тестовой схемы ТСС..................... 94

Выводы по главе 5............................................................. 105

6 АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Г. ШЕЛЕХОВА

6.1 Подготовка исходных данных.............................................. 106

6.2 Комплексная оценка надежности теплоснабжения

г. Шелехова...................................................................... 113

6.3 Декомпозиционная оценка надежности теплоснабжения

г. Шелехова..................................................................... 118

Выводы по главе 6............................................................. 123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 130

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ABC - аварийно-восстановительная служба

НС - насосная станция

ИТ - источник тепловой энергии

ИЭ - имитирующий элемент

ПН - показатели надежности

СТС - система топливоснабжения

СДТ - система добычи топлива

СТТ - система транспортировки топлива

СЭ - система энергетики

ТГЦ - теория гидравлических цепей

ТСК - теплоснабжающий комплекс

ТСС - теплоснабжающая система

ТС - тепловая сеть

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

ВВЕДЕНИЕ

Теплоснабжение является важнейшей сферой обеспечения жизнедеятельности населения и развития всех отраслей экономики. Высокая социально-экономическая значимость сферы теплоснабжения предъявляет повышенные требования к надежности и экономичности ТСС. Развитие централизованного теплоснабжения привело к росту масштабов и усложнению структуры ТСС, в связи с чем появилась потребность в эффективных методах оценки и обеспечения надежности их функционирования.

В последние годы актуальность работ по исследованию надежности теплоснабжения возросла в связи с высокой степенью износа трубопроводов и оборудования ТСС (основное оборудование большинства ТЭЦ построено в середине прошлого века, износ тепловых сетей в среднем по стране составляет 60% [1]), низким технологическим уровнем эксплуатации многих объектов теплового хозяйства, теплогидравлической разрегулированностью ТС и абонентских установок, управлением теплоснабжением городов с участием множества собственников в единой системе, перспективными направлениями развития энергосистем на основе принципов распределенной генерации и концепции Smart Grid. Это требует разработки и применения новых подходов к оценке и обеспечению надежности этих систем.

Первые исследования по надежности ТСС с использованием методов теории надежности начали развиваться в конце 1960-х - начале 1970-х годов. Первоначальные теоретические подходы не учитывали многих особенностей функционирования этих систем, одним из основных методов обеспечения надежности многие специалисты считали резервирование схем ТС. В последующий период было проведено большое количество исследований по надежности ТСС и ее элементов, были разработаны методики и модели решения задач анализа надежности ИТ и ТС, разработаны подходы построения ТСС с требуемым уровнем надежности, обоснована система нормативов, необходимых для ее решения. Также была сформирована база статистической информации по аварийности элементов ИТ и ТС, необходимая для проведения практических исследований.

Вместе с тем на всех этапах исследования надежности ТСС итоговая оценка показателей надежности представляет количественное отражение того или

иного свойства надежности ее подсистем - ИТ и ТС. В сложившейся проектной и эксплуатационной практике решение задач надежности осуществляется раздельно для этих подсистем как на уровне анализа, так и принятия решений. Разделение этих задач приводит к получению обособленных результатов, не учитывающих системные (комплексные) факторы надежности ТСС, обусловленные взаимовлиянием элементов как внутри системы (наложение отказов элементов ИТ и ТС), так и на уровне последствий послеаварийных режимов потребления тепловой энергии. Наиболее значительно эти факторы проявляются при работе нескольких ИТ на единые тепловые сети.

Надежность теплоснабжения наряду с готовностью и безотказностью элементов ТСС определяется бесперебойностью топливоснабжения ИТ. В настоящее время разработан ряд моделей функционирования СТС, позволяющих оценить надежность поставок топлива на уровне топливно-энергетического комплекса региона. Результаты таких оценок практически невозможно интерпретировать для анализа влияния С'ГС на надежность теплоснабжения. Для этого необходимы специальные подходы, позволяющие учесть влияние возможных дефицитов топлива на недоотпуск тепловой энергии от ИТ. Это связано с тем, что СТС обладают рядом специфических особенностей по сравнению с ИТ и ТС с точки зрения исследования надежности, обусловленных более высокой неопределенностью факторов, влияющих на потребности и поставки топлива.

Технологическая связанность, непрерывность и взаимовлияние внутренних и внешних факторов процессов добычи, поставки топлива, производства, транспорта и потребления тепловой энергии обуславливают целесообразность их совместного исследования с позиций надежности теплоснабжения потребителей, которое бы обеспечило максимальный уровень системности решения задач анализа и синтеза надежности объектов всей технологической цепочки.

Разработка научно-методических подходов, учитывающих перечисленные комплексные факторы надежности, необходима как для развития теоретических методов анализа и синтеза надежности теплоснабжения, так и для решения практических задач в этой области.

Объектом исследования является теплоснабжающий комплекс (ТСК), объединяющий систему топливоснабжения, источники тепловой энергии и тепловые сети (подсистемы ТСК). Предметом исследования является надежность функционирования ТСК и его подсистем.

Цели работы состоят в обосновании и разработке взаимосогласованных методических подходов и методик для постановки и решения задач комплексной оценки надежности теплоснабжающего комплекса и влияния всех его подсистем на надежность теплоснабжения каждого потребителя, а также формирование технических предложений по повышению надежности теплоснабжения потребителей.

Для выполнения поставленных целей необходимо решить следующий комплекс задач.

1. На основе анализа свойств теплоснабжающего комплекса, обосновать требования к постановке и методам решения задач расчета и оценки надежности теплоснабжения потребителей.

2. Разработать комплексный подход к анализу надежности теплоснабжения потребителей, обеспечивающий совместное рассмотрение систем топливоснабжения, источников тепловой энергии и тепловых сетей, интегрируемых в теплоснабжающий комплекс.

3. Разработать методику комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей, основанную на вероятностной оценке состояний функционирования ТСК и детерминированном расчете аварийных режимов его подсистем.

4. Предложить модель вероятностного описания состояний функционирования ТСК и его подсистем адекватную условиям их функционирования.

5. Разработать методику оценки дефицитов/избытков топлива, поставляемого на ИТ.

6. Предложить методику поиска оптимального уровня повышения элементной надежности подсистем ТСК.

7. На основе выполнения практических исследований реальных теплоснабжающих систем показать эффективность предложенных методических разработок и получение с их помощью технических мероприятий по повышению надежности теплоснабжения потребителей.

Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, на теорию гидравлических цепей, математическое моделирование, теорию надежности. Содержательные исследования базируются на вычислительном эксперименте и практических расчетах.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней получены и выносятся

на защиту следующие наиболее важные результаты.

1. Постановка и структуризация общей проблемы исследования и анализа надежности теплоснабжающего комплекса и его подсистем.

2. Методические принципы и требования, предъявляемые к моделям анализа надежности на современном этапе развития ТСК.

3. Методика комплексного анализа надежности ТСК, учитывающая взаимосвязь всех его подсистем.

4. Вероятностные модели совместного функционирования подсистем ТСК, основанные на марковских случайных процессах.

5. Имитационный алгоритм оценки дефицитов/избытков топлива на ИТ, основанный на методе статистических испытаний.

6. Методика оптимального повышения элементной надежности подсистем ТСК.

Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемая методика комплексного анализа надежности ТСК позволяет проводить предпроектную оценку надежности теплоснабжения потребителей городов с учетом совместного влияния его подсистем (СТС, ИТ и ТС), а также оценку надежности существующих систем с дальнейшим анализом возможностей ее повышения.

В практических исследованиях важное значение имеет используемый в работе узловой принцип оценки надежности теплоснабжения, согласно которому ее уровень определяется для каждого потребителя. Предложенные в работе узловые ПН формализованно учитывают теплоаккумулирующие свойства зданий и изменения тепловых нагрузок в течение отопительного периода, что максимально приближает уровень проводимых оценок к реальным условиям функционирования ТСС.

Предложенная в работе методика повышения элементной надежности подсистем ТСК также направлена на решение практических задач планирования их эффективного развития с учетом надежности. Выбор решений осуществляется по экономическому критерию, что актуально в практике проектирования и развития реальных систем, когда ограничен объем выделяемых на эти нужды средств.

Проведен комплексный анализ надежности реальной системы теплоснабжения на примере г. Шелехова. Впервые получена декомпозиционная оценка влияния различных подсистем ТСК (СТС, ИТ и ТС) на надежность теплоснаб-

жения потребителей.

Применение предложенных в работе моделей и методов должно способствовать принятию обоснованных решений по модернизации и реконструкции подсистем ТСК с учетом надежности, в том числе при разработке схем теплоснабжения городов.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методологии системных исследований в энергетике, математических моделей и закономерностей общей теории надежности технических систем, теории вероятностей и случайных процессов, теории гидравлических цепей, а также фундаментальных закономерностей теплофикации и процессов теплопередачи.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- заседаниях всероссийского научного семинара с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.; оз. Байкал, 2008 г.; г. Ялта, 2010 г.);

- заседаниях международного научного семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г. Ялта, 2010 г., оз. Байкал, 2013 г.);

- международной конференции «Математические методы в теории надежности. Теория. Методы. Приложения» (г. Москва, 2009 г.);

- заседании российско-украинского научного семинара «Стохастическое программирование и его приложения в энергетике» (г. Иркутск, 2012 г.);

- заседании всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.);

- конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.);

- всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2013 гг.).

Всего по теме диссертации сделано 18 докладов.

Личный вклад автора. Результаты работы, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы [2-

23], в том числе в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК - 3, в коллективных монографиях - 3.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 138 страниц. Работа содержит 43 рисунка и 17 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены элементы научной новизны предложенных в работе методических подходов и достигнутых результатов, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен краткий обзор научно-методических достижений в области анализа надежности топливо- и теплоснабжения, рассмотрены основные особенности систем топливоснабжения, источников тепловой энергии и теплов