Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.
Анализ работы систем теплоснабжения, проведённый сотрудниками научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» (НИЛ ТЭСУ) УлГТУ в ряде городов России, показал, что в связи с высокой степенью физического и морального износа тепловых сетей и основного оборудования теплоисточников надёжность систем постоянно снижается. Это подтверждается статистическими данными, например, число повреждений при проведении гидравлических испытаний в тепловых сетях города Ульяновска за восемь лет выросло в 3,5 раза [1]. В некоторых городах (Санкт-Петербург, Самара и др.) произошли крупные аварии магистральных теплопроводов во время поддержания в теплосетях высоких температур и давлений, поэтому даже в сильные морозы температуру теплоносителя на выходе из теплоисточника не поднимают выше значений 90-110 °C, то есть теплоисточники вынуждены работать с систематическим недогревом сетевой воды до нормативной температуры («недотопом») [2].
Недостаточные затраты теплоснабжающих организаций на реновацию и капитальные ремонты тепловых сетей и оборудования теплоисточников приводят к существенному увеличению числа повреждений и к росту количества отказов централизованных систем теплоснабжения. Между тем, городские системы теплоснабжения относятся к системам жизнеобеспечения, и их отказ ведёт к недопустимым для человека изменениям микроклимата зданий. В таких условиях проектировщики и строители в ряде городов отказываются от теплофикации новых жилых районов и предусматривают там строительство местных теплоисточников: крышных, блочных котельных или индивидуальных котлов при поквартирном отоплении.
В то же время, федеральным законом №190-ФЗ «О теплоснабжении» [3] предусматривается приоритетное использование теплофикации, то есть комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для организации теплоснабжения в городах. Несмотря на то, что децентрализованные системы теплоснабжения не обладают термодинамическими преимуществами теплофикационных систем, их экономическая привлекательность сегодня выше, чем централизованных от ТЭЦ [2].
В то же время обеспечение заданного уровня надёжности и энергетической эффективности теплоснабжения потребителей является одним из основных требований, которые предъявляются при выборе и проектировании теплофикационных систем согласно федеральному закону №190-ФЗ «О теплоснабжении» [3] и СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» [4]. Нормативный уровень надёжности определяется тремя следующими критериями: вероятностью безотказной работы, готовностью (качеством) теплоснабжения и живучестью.
Надёжность систем теплоснабжения можно повысить либо за счёт повышения качества элементов, из которых они состоят, либо за счёт резервирования. Главной отличительной особенностью нерезервированной системы является то, что отказ любого её элемента приводит к отказу всей системы, а у резервированной системы вероятность такого явления существенно снижается. В системах теплоснабжения одним из способов функционального резервирования является совместная работа различных источников теплоты [4].
С целью повышения надёжности и энергетической эффективности систем теплоснабжения в НИЛ ТЭСУ УлГТУ созданы технологии работы комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и местными пиковыми теплоисточниками, которые объединяют в себе структурные элементы централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения [5-8].
На рис. 1 показана структурная схема комбинированной теплофикационной системы с последовательным включением централизованных основных и местных пиковых теплоисточников [5, 6]. В такой системе теплоснабжения ТЭЦ будет работать с максимальной эффективностью при коэффициенте теплофикации, равном 1,0, поскольку вся тепловая нагрузка обеспечивается за счёт теплофикационных отборов пара турбин на сетевые подогреватели. Однако эта система обеспечивает лишь резервирование теплоисточника и повышение качества теплоснабжения за счёт местного регулирования тепловой нагрузки. Возможности повышения надёжности и энергетической эффективности теплофикационной системы в этом решении использованы не в полной мере.
Для устранения недостатков предыдущей системы и дальнейшего совершенствования технологий комбинированного теплоснабжения предложены комбинированные теплофикационные системы, с параллельным включением централизованных и местных пиковых теплоисточников [7, 8], которые при понижении давления или температуры ниже установленного уровня позволяют гидравлически изолировать местные системы теплоснабжения от централизованной. Изменение пиковой тепловой нагрузки в таких системах производится путём местного количественного регулирования у каждого из абонентов за счёт изменения расхода сетевой воды, циркулирующей через автономные пиковые источники теплоты и местные системы абонентов. При аварийной ситуации местный пиковый источник теплоты может использоваться в качестве базового, и циркуляция сетевой воды через него и местную систему теплоснабжения осуществляется с помощью циркуляционного насоса. Анализ надёжности систем теплоснабжения проводят с позиций способности выполнения ими заданных функций. Способность теплофикационной системы выполнять заданные функции определяется её состояниями с соответствующими уровнями мощности, производительности и т.д. В связи с этим необходимо различать работоспособное состояние, частичный отказ и полный отказ системы в целом.
В НИЛ ТЭСУ УлГТУ созданы технологии работы комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и местными пиковыми теплоисточниками
Понятие отказа является главным при оценке надёжности системы теплоснабжения. Учитывая то обстоятельство, что теплоэнергетические установки и системы являются восстанавливаемыми объектами, отказы элементов, агрегатов и систем следует делить на отказы работоспособности и отказы функционирования. Первая категория отказов связана с переходом элемента или системы в момент времени т из работоспособного состояния в неработоспособное (или частично неработоспособное). Отказы функционирования связаны с тем, что система в данный момент времени т не обеспечивает (или частично не обеспечивает) заданный потребителем уровень теплоснабжения. Очевидно, что отказ работоспособности элемента или системы не означает отказ функционирования. И, наоборот, отказ функционирования может произойти и в том случае, когда отказа работоспособности не произошло. С учётом этого производят выбор показателей надёжности систем.
В качестве единичных показателей надёжности элементов или систем теплоснабжения в целом могут быть использованы известные показатели: λ(τ) — интенсивность (параметр потока отказов) отказов; μ(τ) — интенсивность восстановлений; P (τ) — вероятность безотказной работы в течение периода времени τ; F(τ) — вероятность восстановления за период времени τ [9].
Сравним надёжность традиционной и комбинированных теплофикационных систем с одинаковой тепловой нагрузкой 418,7 МВт, из которых базовая нагрузка в размере 203,1 МВт обеспечивается на ТЭЦ с турбиной Т-100-130 (расход сетевой воды 1250 кг/с), а пиковая нагрузка в размере 215,6 МВт пиковыми теплоисточниками. ТЭЦ и потребитель связаны двухтрубной тепловой сетью протяжённостью 10 км [10]. В традиционной теплофикационной системе вся тепловая нагрузка обеспечивается на ТЭЦ. В одной комбинированной системе пиковый теплоисточник установлен последовательно централизованному (рис. 1), в другой — параллельно (рис. 2).
В котельной у потребителя устанавливается три водогрейных котла, один из которых резервный.
Как видно из рис. 1 и 2, любая теплофикационная система представляет собой сложную структуру. Расчёт показателей надёжности таких многофункциональных систем является достаточно трудоёмкой задачей. Поэтому для расчёта показателей надёжности таких систем используют метод декомпозиции, в соответствии с которым математическая модель расчёта показателей надёжности системы делится на ряд подмоделей. Это деление осуществляется по технологическому и функциональному признакам. В соответствии с этим в теплофикационной системе выделены основной теплоисточник (ТЭЦ), система транспорта теплоты от ТЭЦ к потребителям, децентрализованный пиковый источник теплоты и система распределительных сетей для покрытия отопительных нагрузок. Такой подход позволяет проводить расчёт показателей надёжности для отдельных подсистем независимо. Расчёт показателей надёжности всей теплофикационной системы осуществляется как для параллельно-последовательной структуры [11].
Теплофикационный блок ТЭЦ с точки зрения надёжности представляет собой сложную структуру последовательно соединённых элементов: котлоагрегата, турбины, теплофикационной установки. Для такой структурной схемы отказ одного из агрегатов приводит к отказу всей установки. Поэтому коэффициент готовности теплофикационного блока определится по формуле:
где kгТЭЦ, kгк, kгт и kгту — коэффициенты готовности всей ТЭЦ, котлоагрегата, турбины и теплофикационной установки, соответственно [11].
Стационарные значения коэффициента готовности kг для соответствующих элементов схемы определяются в зависимости от интенсивности восстановлений [1 и интенсивности отказов λ по формуле:
С использованием методики, приведённой в [12], произведён расчёт показателей надёжности теплофикационного блока с турбиной T-100-130. В расчётах приняты следующие исходные единичные показатели надёжности, приведённые в справочнике [11]:
Наименее надёжным элементом в системах теплоснабжения являются магистральные теплопроводы. Частота (интенсивность) отказов каждого участка тепловой сети измеряется с помощью показателя λ, который имеет размерность 1/(км-год) или 1/(км-ч).
Интенсивность отказов всей тепловой сети (без резервирования) по отношению потребителю представляется как последовательное (в смысле надёжности) соединение элементов, при котором отказ одного из всей совокупности элементов приводит к отказу всей системы в целом. Средняя вероятность безотказной работы Pc системы, состоящей из последовательно соединённых участков, будет равна произведению вероятностей безотказной работы каждого участка:
где Pi — вероятность безотказной работы i-го участка системы; i = 1-
где λ0 — интенсивность отказов в конкретной системе теплоснабжения; Тi — срок эксплуатации i-го участка, лет; а — вспомогательный параметр.
Характер изменения интенсивности отказов зависит от параметра а: при a < 1 она монотонно убывает, при а > 1 — возрастает. Принимается значение а по [13], исходя из следующей зависимости:
Интенсивность отказов магистральных теплопроводов составляет величину λ0 = 0,035 1/(км·год) [13].
Для местного децентрализованного источника коэффициент готовности определяется аналогично коэффициенту готовности ТЭЦ, исходя из установленного оборудования.
В расчётах приняты следующие исходные единичные показатели надёжности для местного теплоисточника [11]: для водогрейного котла λвк = 3,3 X 10-4 ч-1, μк = 1,32 X 10-2 ч-1; для насосного оборудования = 1,02 X 10-4 ч-1; μт = 1,2 X 10-2 ч-1.
В общем случае, когда на местном пиковом источнике установлено (m + n) агрегатов, из которых m рабочих и n резервных, вероятность того, что в любой момент времени τ отопительного периода тепловая мощность автономного пикового источника Qr будет не менее номинального уровня мощности Qrs, определится по формуле:
где m и n — количество рабочих и резервных установок по отпуску r-го теплоносителя с единичной производительностью Qr; kг — коэффициент готовности установки по отпуску r-го теплоносителя; l — количество отказавших установок; S+ — подмножество состояний, в которых реализуется условие Qr > Qrs.
Вероятность безотказной работы систем распределения теплоты абонента принята по [14] и равна 0,99.
В соответствии с методом декомпозиции комбинированная теплофикационная система представляется совокупностью подсистем, каждая из которых выполняет определённые функции и может находиться в различных состояниях.
На основании полученных матриц состояний отдельных подсистем методом перебора формируется совокупность состояний теплофикационной системы.
Сформированная таким образом матрица состояний теплофикационной системы позволяет рассчитать вероятность её безотказной работы Рбр:
где Pi — вероятность i-го состояния системы; N+ — подмножество состояний, при которых абонент не обеспечивается теплотой.
Также с помощью матрицы состояний можно определить уровень обеспечения потребителя энергией при различных состояниях системы и понять, произойдёт ли отказ функционирования системы при данном состоянии. Проанализировав таким образом всю матрицу, определяем
вероятность отказа функционирования системы Роф по формуле:
где М+ — подмножество состояний, при которых температура в отапливаемых помещениях опускается ниже 12 °C, то есть происходит отказ функционирования системы.
В результате расчётов по формулам (1)-(8) вероятность безотказной работы для традиционной централизованной теплофикационной системы составила 0,7394, для комбинированной теплофикационной системы (рис. 1) с последовательным включением местного пикового теплоисточника — 0,7400, а для комбинированной системы (рис. 2) с параллельным включением местного пикового теплоисточника — 0,9899.
Вероятность безотказной работы для традиционной централизованной теплофикационной системы — 0,7394, для комбинированной теплофикационной системы с последовательным включением местного пикового теплоисточника — 0,7400, а для комбинированной системы с параллельным включением местного пикового теплоисточника — 0,9899
Вероятность отказа функционирования традиционной системы составляет 0,2532; комбинированной системы с последовательным включением пикового теплоисточника — 0,2525, а комбинированной системы с параллельным включением теплоисточников — 0,0177 [10].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что наиболее надёжной городской системой теплоснабжения из рассмотренных является комбинированная теплофикационная система с параллельным включением централизованных и местных пиковых теплоисточников.
