1. Системы энергетики, их классификация и особенности существования с точки зрения обеспечения их надежности
1.1. Классификация систем энергетики. В данном курсе будут рассматриваться методы и математические модели, ориентированные на выработку решений по обеспечению надежности электроэнергетических систем (ЭЭС), газоснабжающих систем (ГСС), нефтеснабжающих систем (НСС), теплоснабжающих систем (ТСС), водоснабжающих систем (ВСС) и их оборудования, т.е. в конечном счете – по обеспечению надежности снабжения потребителей продукцией этих систем (
Среди наиболее актуальных проблем, с решением которых связан прогресс современной техники, особое место занимает проблема качества.
Качество - это совокупность свойств объекта, обусловливающих его пригодность удовлетворять определённые потребности в соответствии с его назначением.
Объект – техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.
Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.
В качестве объекта мы будем рассматривать системы энергетики и их совокупность, а также элементы этих систем. Необходимо заметить, что разбиение системы на элементы является делом произвольным и условным, т.к. оно зависит от самых различных факторов: от цели исследования, наличия тех или иных исходных данных, уровня качественного представления объекта и исследования, наконец, от вкуса исследователя и др. Во всяком случае, элемент – это та часть системы, дальнейшая детализация которой в данном исследовании не представляется целесообразной. Кроме понятий система и элемент мы будем использовать и другие термины например подсистема, т.е. часть исследуемой системы, состоящая из элементов.
Понятия системы, подсистемы и элементы являются относительными: то, что в одном исследовании является элементом, может при более детальном изучении объекта стать уже подсистемой или системой, наоборот, система (подсистема) при рассмотрении некоторой суперсистемы (надсистемы) может для исследователя приобрести характерные свойства элемента. Такое последовательное представление: надсистемы - система – подсистема – элемент, весьма характерно при построении иерархических математических моделей различных реальных объектов большой структурной и функциональной сложности, к которой относятся электроэнергетические, газоснабжающие, нефтеснабжающие, теплоснабжающие, водоснабжающие системы.
Отдельные объекты системы называют также системными элементами. В теории надёжности под элементом обычно понимают такую часть системы, надёжность которой в процессе функционирования может быть рассмотрена независимо от надёжности входящих в эту часть более простых составляющих. Так, например, котлоагрегат, турбина, сетевой подогреватель могут рассматриваться как элементы более сложной системы ТЭЦ, а сама ТЭЦ является элементом более сложной системы теплоснабжения района. С другой стороны, при анализе надёжности, например, котлоагрегата его поверхности теплообмена, коллекторы, арматура, устройства подачи топлива выступают в роли элементов. Учитывая условность деления системы на элементы, часто в теории надёжности используют обобщающие понятия устройство, изделие или объект, которые относят к любой заранее выделенной и функционально самостоятельной части системы. Ниже чаще всего будет использоваться понятие объект, который может состоять из элементов.
Таким образом, качество проявляется только через свойства, которые в свою очередь характеризуются показателями. Показатель – количественная характеристика свойств объекта, входящих в состав его качества, рассматриваемая применительно к определённым условиям его создания и эксплуатации.
Одним из важнейших свойств объектов энергетики, характеризующих их качество, является надёжность. Без высокой надёжности не может быть изделий с высоким качеством. Надёжность по существу и заключается в сохранении качества объектов и изделий при их эксплуатации.
Надёжность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность его выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. ГОСТ 27002-89
Надёжность – свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования.
Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.
Заданные функции объекта энергетики определяются, с одной стороны, его назначением, а с другой – самим фактом его создания. Заданными функциями, определяемыми назначением СЭ, является снабжение потребителей в необходимом количестве соответствующей продукцией (производимой энергией или энергоносителем – электроэнергией, теплом, газом, нефтью, нефтепродуктами и д.р.) требуемого качества.
Заданной функцией, определяемой фактом создания СЭ, является недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, которые могут возникнуть при различных аварийных условиях. Многофункциональность СЭ определяется не только приведенным перечнем функций (связанных в том числе с многопродуктовностью), но и многоцелевым характером СЭ, т.е. тем, что СЭ предназначен для снабжения соответствующей продукцией множества потребителей.
Заданным перечнем функций системы может не предусматриваться выполнение некоторых возможных ее функций. Невыполнение незаданных функций не является проявлением ненадежности системы.
Заданную функцию система может выполнять в большем или меньшем объеме. Поэтому определением надежности подчеркивается необходимость выполнения каждой из заданных функций в заданном объеме. Например, объем выполнения функций питания какого либо потребителя рассматриваемой СЭ может определиться заданным графиком потребления; объемом функций срабатывания какого – либо устройства защиты, автоматики или коммутационного аппарата определяется заданными условиями срабатывания. Неудовлетворение спроса потребителя сверх заданного графика в первом случае условиях (несмотря на целесообразность срабатывания) во втором являются проявление технического несовершенства объекта. Но не его ненадежностью.
Единичные свойства надежности
Как мы уже отметили выше надежность является комплексным свойством объекта, которое в зависимости от назначения объекта, условий его эксплуатации, рассматриваемого территориального или временного уровня иерархии управления может включать несколько единичных свойств. Основными единичными свойствами объектов энергетики являются: безотказность. Долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, устойчивость, режимная управляемость, живучесть и безопасность.
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или некоторой наработки (наработка - временное понятие, служащее для количественной оценки надежности объекта и характеризующее продолжительность или объем работы объекта, может измеряться в часах, циклах функционирования, километрах пробега и других величинах).
Долговечность – свойство объекта сохранять, работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
В отличие от свойства безотказности долговечность характеризует продолжительность работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и техническом обслуживании.
Долговечность является свойством лишь элемента, но не системы. Конечно, можно себе представить совокупность элементов, для которой можно рассматривать достижения предельного состояния. Однако это означает, что такая совокупность эксплуатируется как единое целое и при исследованиях надежности ее целесообразно рассматривать как один элемент.
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения, ТО и ремонта.
Ремонтопригодность – свойство объекта заключается в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ТО и ремонта.
Это свойство характеризует пригодность объекта к восстановлению ( путем проведения ТО и ремонтов) не только работоспособности, снижаемой вследствие отказов, но и неисправности в целом, снижаемой вследствие повреждений.
Под повреждением понимается событие заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособности состояния.
Исправным же в соответствии с ГОСТ 27. 002 – 84 является состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Неисправность – состояние объекта, при котором он не удовлетворят хотя бы одному из требований, установленных нормативно-технической документацией.
Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризуется способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Неработоспособное - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Предельное - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
Признаками технического состояния объекта могут быть качественные или количественные характеристики его свойств, фактические значения которых определяют техническое состояние объекта. Каждое из перечисленных состояний объекта характеризуется одним или несколькими признаками, установленными в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Значения этих признаков при предельном состоянии объекта называются критерием предельного состояния.
Переход объекта из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее происходит вследствие определённых событий: отказов и повреждений. Появление и развитие каждого события обусловлены, как правило, внутренними процессами, происходящими в элементах и деталях объекта, характером нагружений и действием внешних условий.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния при сохранении работоспособного состояния. В ГОСТ 15.467-79 предусмотрено понятие дефект, под которым понимают каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Этот термин часто применяют при контроле качества продукции на стадии изготовления или при ремонте. Иначе можно сказать, что событие возникновения дефекта соответствует переходу объекта от исправного состояния к неисправному.
Термин дефект отличается от термина отказ. В результате влияния неустранённых дефектов для объекта, находящегося в работоспособном состоянии, может наступить одно из двух состояний: повреждение или отказ. Так, например, случайное и не устранённое при монтаже разрушение (дефект) тепловой изоляции подземной магистрали может вызвать различные последствия. Если при таком дефекте магистраль остаётся работоспособной, то подобное событие называется повреждением. Если наличие дефекта изоляции вызывает коррозию металла, появление свищей, язв, и в результате разрыв трубопровода, то такое событие называется отказом.
Каждый отказ имеет определённую причину, а его возникновение наблюдают по появлению признаков неработоспособного состояния, которые называют критерием отказов. Обычно критерии отказов приводятся в научно-технической документации для конкретного объекта. Существует множество классификаций отказов, но основная из них приведена в ГОСТ 27.002-89. В данном стандарте выделяется тринадцать видов отказов, некоторые из которых ниже рассмотрены подробнее.
Теория надёжности содержит сформировавшуюся систему терминов, определений и понятий. Большинство из них приведено в Государственных стандартах, объединённых в единую систему. Некоторые из основных понятий рассмотрены выше. В процессе изучения разделов дисциплины необходимые термины и определения будут подробно разъясняться.
Ремонтируемый объект – объект, ремонт которого возможен и предусмотрен НТ (нормативно-технической), ремонтной или конструктивной (проектной) документацией.
Неремонтируемый объект - объект, ремонт которого невозможен и (или) непредусмотрен НТ, ремонтной и (или) конструкторной (проектной) документацией.
Наработка – продолжительность или объем работы объекта.
Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта от начала его применения до наступления предельного состояния.
Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправное или только работоспособное состояние в течении и после хранения и (или) транспортировки.
ГОСТ 27. 002. – 89 Сохраняемость – свойство объекта, сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение хранения и (или) транспортирования.
Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта в заданных условиях в течении и после которых сохраняются исправность, а также значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в пределах, установленных НТД на данный объект.
Время восстановления – характеризует календарную продолжительность операций по восстановлению работоспособного состояния объекта или продолжительность операций по ТО.
Живучесть – свойство объекта противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителя.
Безопасность - свойство объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды
Устойчивоспособность – свойство объекта непрерывно сохранять устойчивость в течение некоторого времени. Понятие «устойчивоспособность» не тождественно понятно «устойчивость», а является более сложным.
Устойчивость – по ГОСТ 21027 – 75 характеризует способность системы возвращаться к исходному установившемуся или близкому к нему режиму после различного рода возмущений и относится к моменту времени. Понятие же «устойчивоспособность» относится к заданному интервалу времени (обычно значительному). Фактически устойчивоспособность нужно рассматривать не как способность, а как состояние, находясь в котором, объект способен возвращаться к неодному установившемуся или близкому к нему режиму после различных возмущений. Снижение устойчивоспособности объекта соответствует снижению его надежности лишь в тех случаях, когда нарушается выполнение заданных функций в заданном объеме. Возможна, одно, иная ситуация. Например, если устойчивость ЭЭС характеризуется частыми нарушениями ее статической устойчивости в нормальном (предусмотренном условиями эксплуатации) режим, это говорит не о недостаточной надежности, а о невысоком уровне технического совершенства системы.
Режимная управляемость – свойство объекта поддерживать нормальных режим посредством управления.
Таким образом, это свойство определяет эффективность управления объектом с целью сохранения или восстановления (после нарушения) нормального режима его работы.
Как следует из определения, уровень надёжности объекта, характеризуемый количественными показателями, нельзя рассматривать в отрыве от фактора времени и условий применения. По мере непрерывной работы объекта на заданных режимах работы происходит исчерпание запаса долговечности, снижение уровня безотказности, а также изменение показателей ремонтопригодности и сохраняемости.
Уровень надёжности объектов энергетики задаётся в нормативной документации на проектирование, а реализация требований обеспечивается выполнением конструктивно-производственных работ при их создании.
Задание требований по надёжности выполняется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 27.003-83 с учётом обеспечения высокого технического уровня создаваемого объекта и достижений в области конструирования производства и эксплуатации. Особое внимание обращается на обеспечение высокого уровня безопасности, приспособленности к техническому обслуживанию и экономичности энергетических объектов.
Выполнение заданных требований по надёжности объектов контролируется согласно ГОСТ 27.401-84 и обычно требует проведения определённых исследований и разработок, технического оснащения и материальных затрат.
В дальнейшем под объектами энергетики будем понимать объекты - производители электрической энергии (всевозможные ТЭЦ), трансформаторы всех видов энергии, включая теплообменные аппараты, магистрали, связывающие источники энергии и потребителей, а также их функционально самостоятельные элементы (котлоагрегаты, турбины, насосы и пр.). Выбор объекта определяется целью исследования.
В научно-технической литературе по надёжности используют понятия восстанавливаемые объекты и невосстанавливаемые объекты. Иногда эти понятия относят к отдельным элементам объектов промышленной энергетики. Невосстанавливаемые объекты – это обычно структурно простые элементы в сложной технической системе, которые в случае их отказа проще заменить на исправные, чем ремонтировать. Понятно, что объекты промышленной энергетики чаще всего являются восстанавливаемыми. Приведённая классификация вызвана смысловыми и вычислительными особенностями оценок показателей надёжности различных объектов.