Планирование замены участков тепловых сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

ПЛАНИРОВАНИЕ ЗАМЕНЫ УЧАСТКОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

В настоящее время планирование замены участков тепловых сетей, выработавших эксплуатационный ресурс, выполняется в зависимости от продолжительности их эксплуатации. Однако, в условиях постоянной модернизации конструкции элементов тепловых сетей, использования новых материалов и технологий изготовления, их технические характеристики и, в частности, показатели надежности, непрерывно улучшаются. Одновременно с этим в развивающихся городских тепловых сетях количество новых элементов и участков постоянно увеличивается. Вместе с тем, как показывает статистика отказов и восстановлений участков существующих тепловых сетей (особенно их магистральных частей), условия и организация их эксплуатации осуществляется на высоком уровне, что позволяет эксплуатировать «старые» теплопроводы за пределами паспортных сроков службы. Наличие большого числа факторов, характеризующих техническое состояние участков тепловых сетей, затрудняет их учет при планировании замены теплопроводов.

Целью разработки является обеспечение эффективного планирования замены теплопроводов путем оптимального выбора (определения оптимальной очередности) подлежащих замене участков тепловой сети в условиях ограничения финансовых (и/или временных) затрат.

Математическая формулировка задачи и основные расчетные зависимости

Математически задача формулируется как задача оптимального выбора. Целевой функцией задачи является сумма относительных оценок вклада технического состояния j-го участка в техническое состояние тепловой сети в целом. Оптимальный план перекладок участков тепловой сети соответствует максимуму этой функции, которая определяется при ограничениях на финансовые (и/или временные) затраты.

Информация о техническом состоянии участка теплопровода представляется численными значениями технологических параметров (), наиболее вероятно характеризующих такое состояние, при котором требуется его замена.

Принято допущение о том, что j-й участок теплопровода одновременно может находиться только в одном из двух возможных технических состояний:

- теплопровод исправен, замена не требуется;

- теплопровод неисправен, требуется замена.

Состав технологических параметров и их значимость (вес) в общем объеме информации, устанавливается по результатам анализа статистики отказов и восстановлений этого участка, с учетом результатов диагностических обследований, выполняемых в процессе эксплуатации.

Вес i-го параметра в общем объеме информации о техническом состоянии j-го участка (w_ij), может быть определен по значению коэффициента парной корреляции (r_ij), характеризующего функциональную связь этого параметра с состоянием, при котором требуется замена [1, 2]. Значения r_ij, приближающиеся к 1, характеризуют наиболее вероятные связи. При значениях r_ij близких или равных нулю, функциональные связи отсутствуют. При значениях r_ij, приближающихся к -1, связи характеризуются как наиболее вероятные и обратно пропорциональные. Если за условную границу наличия таких связей принять значение r_ij ? 0,5 (r_ij ? -0,5), то состав технологических параметров, имеющих значения r_ij в указанных диапазонах, будет достаточным для определения такого состояния. Вес i-го параметра в общем объеме информации, определяется в диапазоне значений от 0 до 1 при нормировании значений r_ij, относительно суммы их модулей. Пример определения веса i-го параметра в общем объеме информации о состоянии j-го участка приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Вес i-го параметра в общем объеме информации о техническом состоянии j-го участка, при котором требуется его замена

* - значения коэффициентов получены в результате корреляционного анализа данных диагностических обследований участков тепловых сетей;

** - сумма модулей.

Если при планировании замены исходных данных для определения состава и веса технологических параметров недостаточно (или отсутствуют вовсе), то состав параметров задается из наиболее значимых, а их вес (в общем объеме информации) принимается одинаковым (т.е. равнозначным). Пример определения веса i-го параметра в общем объеме информации о состоянии j-го участка для этого случая приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Вес i-го параметра в общем объеме информации о техническом состоянии при отсутствии статистики отказов и восстановлений j-го участка

* K_i - количество параметров, используемых при планировании замены

Альтернативным предыдущему варианту определения веса i-го параметра в общем объеме информации, является вариант, в котором используется метод экспертных оценок или метод анализа иерархий. В ходе реализации этих методов, группой экспертов (или лицом, принимающим решение) каждому технологическому параметру вес назначается, исходя из опыта и квалификации каждого эксперта (или лица, принимающего решение) [10]. Пример назначения веса i-му параметру в общем объеме информации о состоянии j-го участка для этого случая представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Назначение веса i-му параметру в общем объеме информации о техническом состоянии j-го участка в результате использования метода экспертных оценок

По результатам многочисленных диагностических обследований [3, 8, 9, 13], а также результатам анализа статистики отказов и восстановлений установлено, что наиболее информативными являются параметры, характеризующие техническое состояние участков через значения показателей надежности их функционирования, а также их положения (значимости) в структуре тепловой сети:

- интенсивность (удельное количество) отказов _j, (км год) ^-1;

- среднее время восстановления t_j, час;

- продолжительность (период) эксплуатации теплопровода, ф_j, лет;

- расход теплоносителя через участок в расчетном режиме функционирования g_j, т/час;

- отключаемая при отказе участка суммарная тепловая мощность нагрузки q_j, Гкал/час.

Первые три параметра характеризуют надежность теплопроводов, как элементов тепловой сети. Четвертый и пятый характеризуют их положение в структуре тепловой сети и вклад (значимость) в структурную надежность сети в целом.

Теплопроводы различных диаметров, в силу специфики их производства и изготовления, имеют различные показатели элементной надежности, и, как следствие, различную статистику отказов и восстановлений. По результатам ее анализа установлено, что теплопроводы диаметром 300 мм и менее могут отказывать на порядок чаще, чем теплопроводы, диаметром более 300 мм [13]. Поэтому в первую очередь определяется последовательность замены теплопроводов одного диаметра (одной группы) диаметров.

Теплопроводы различных диаметров, в силу специфики их положения в структуре тепловой сети, имеют различный вклад (значимость) в структурную надежность сети в целом. Известно, что отказы теплопроводов распределительных и магистральных сетей влекут за собой ущербы и последствия различного объема и качества. Поэтому определение последовательности замены теплопроводов всех диаметров (всех групп диаметров) с учетом технологических и социальных приоритетов замены теплопроводов магистральной части сетей, выполняется во вторую очередь.

Технологический и социальный приоритет замены теплопроводов разных диаметров (групп диаметров) в тепловой сети задается нормированием значения номера группы диаметра к количеству этих групп. Чем больше диаметр теплопровода - тем выше его приоритет при замене. Пример определения приоритета замены теплопроводов разных диаметров (групп диаметров) приведен в таблице 4.

Таблица 4 - Приоритет замены теплопроводов разных диаметров (групп диаметров)

Относительные оценки вкладов (весов) параметрической информации о техническом состоянии j-х участков в общий объем информации о состоянии тепловой сети в целом, вычисляются следующим образом.

12.1 Оценка интенсивности (удельного количества) отказов j-го участка d-го диаметра вычисляется относительно начального (допустимого, паспортного) значения интенсивности отказов теплопроводов d-го диаметра (группы диаметров):

(1)

где - интенсивность отказов j-го участка тепловой сети d-го диаметра, (км ч) ^-1;

- начальное (допустимое, паспортное) значение интенсивности отказов теплопроводов d-го диаметра (группы диаметров), (км ч) ^-1.

12.2 Оценка среднего времени восстановления j-го участка вычисляется относительно значения, нормированного СНиП 41-02-2003 [15] для теплопроводов d-го диаметра (группы диаметров):

, (2)

где - среднее время восстановления j-го участка тепловой сети d-го диаметра (группы диаметров), час;

- нормированное СНиП 41-02-2003 значение среднего времени восстановления теплопроводов d-го диаметра (группы диаметров), час.

12.3 Оценка продолжительности эксплуатации j-го участка вычисляется относительно его паспортного срока службы:

,(3)

где - продолжительность эксплуатации j-го участка тепловой сети, лет;

- паспортный срок службы j-го участка тепловой сети, лет.

12.4 Оценка расхода теплоносителя в расчетном режиме функционирования j-го участка вычисляется относительно суммарного расхода теплоносителя в тепловой сети при расчетном режиме ее функционирования:

,(4)

где - расход теплоносителя в расчетном режиме функционирования j-го участка тепловой сети, т/час;

- суммарный расход теплоносителя в тепловой сети при расчетном режиме ее функционирования, т/час.

12.5 Оценка отключаемой при отказе j-го участка суммарной тепловой мощности нагрузки вычисляется относительно суммарной тепловой мощности нагрузки сети в целом:

,(5)

где - суммарная тепловая мощность нагрузки, отключаемая при отказе j-го участка, Гкал/час;

- суммарная тепловая мощность нагрузки сети в целом, Гкал/час.

Суммарная относительная оценка технического состояния j-го участка тепловой сети с учетом веса каждого технологического параметра и приоритета замены d-го диаметра (группы диаметров):

(6)

где - обобщенное обозначение относительной оценки значения технологического параметра, характеризующего техническое состояние j-го участка, принятое в соответствии с таблицей 5, от. ед.;

Таблица 5 - Принятые обозначения

- вес технологического параметра при оценке технического состояния j-го участка, от. ед.;

- приоритет замены j-го участка d-го диаметра (группы диаметров), от. ед.

Для состава из 5-ти параметров, рассматриваемых выше:

(7)

После вычисления суммарных относительных оценок технического состояния всех участков тепловой сети с учетом веса каждого технологического параметра и приоритета замены по диаметрам теплопроводов (группы диаметров), выполняется нормирование полученных значений относительно их суммы:

,(8)

где - нормированная суммарная относительная оценка технического состояния j-го участка тепловой сети.

Эта оценка характеризует техническое состояние j-го участка относительно технического состояния других участков и состояния тепловой сети в целом.

Целевая функция оптимальной замены участков тепловой сети:

,(9)

где - переменная выбора заменяемого теплопровода, принимающая одно из двух значений: 0 - j-й участок для замены не выбран, 1 - j-й участок выбран для замены.

Принятые ограничения:

,(10)

Или

.(11)

Здесь - стоимость работ по замене j-го участка, т.руб.;

- сумма, выделяемая на выполнение работ по замене всех участков, т. руб.;

- сумма, выделяемая на выполнение работ по замене участков в текущем году эксплуатации, т. руб./год;

- год эксплуатации (его номер) периода планирования , , год.

Решение задачи оптимального выбора выполняется методами математического программирования с учетом следующих особенностей [5]. Сумма, выделяемая на выполнение работ по замене всех участков , или сумма, выделяемая на выполнение работ по замене участков в текущем году эксплуатации , а также период планирования , задаются исходя из принятых в теплоснабжающей организации инвестиционных программ развития или других документов, регламентирующих выполнение работ по плановым заменам теплопроводов. Значения этих расчетных величин, могут определяться по материальным характеристикам теплопроводов и уточняться (изменяться) в ходе решения задачи.

Алгоритм планирования

Алгоритм планирования замены участков тепловой сети представлен на рисунке 1.

Пример планирования замены участков резервированной тепловой сети котельной,

мощностью 4,8 Гкал/ч

Источником теплоты является районная котельная с присоединенной тепловой нагрузкой 4,8 Гкал/ч. Расчетная температура наружного воздуха: С (г. Нижний Новгород). Продолжительность отопительного периода: = 5232 ч = 218 суток = 0,597 года. Средняя температура отопительного периода: = 4,7С. Тепловая энергия подается потребителям по двухтрубным водяным тепловым сетям, проложенным преимущественно в непроходных каналах. Тепловая сеть резервированная, с кольцами. Характеристики участков тепловой сети приведены в таблице 6. Схема тепловой сети, приведенная на рисунке 2, включает один источник теплоснабжения, 29 участков, 14 тепловых камер, 7 задвижек и 6 потребителей: 31, 35, 37, 41, 61, 63. Общая длина сети 12,2 км. Диаметр головного участка 300 мм, длина 500,2 м. Наиболее удаленным от источника теплоснабжения является потребитель в узле 35 (6,9 км).

Результаты планирования замены участков резервированной тепловой сети котельной, мощностью 4,8 Гкал/ч

Расчет относительных оценок значений параметров

Так как в примере планирования замены участков резервированной тепловой сети котельной мощностью 4,8 Гкал/ч не используются результаты диагностических обследований теплопроводов различных диаметров, то состав параметров, характеризующих их техническое состояние задается в соответствии с выше указанными рекомендациями.

1.1 Оценка интенсивности отказов j-го участка d-го диаметра выполняется по формуле (1). Для теплопроводов диаметром 300 мм начальная (паспортная) интенсивность отказов теплопровода Оценка интенсивности отказов теплопроводов диаметром 300 мм:

Рисунок 1. Алгоритм планирования замены теплопроводов

Рисунок 2. Схема системы теплоснабжения котельной, мощностью 4,8 Гкал/ч

Таблица 6 - Характеристики участков тепловой сети

Результаты оценки интенсивности отказов по всем остальным группам диаметров теплопроводов представлены в таблице 9.

1.2 Оценка среднего времени восстановления j-го участка d-го диаметра выполняется по формуле (2). Для теплопроводов диаметром 300 мм, в соответствии с требованиями [15]: Оценка среднего времени восстановления j-го участка теплопроводов диаметром 300 мм:

Результаты оценки среднего времени восстановления по всем остальным группам диаметров теплопроводов представлены в таблице 9.

1.3 Оценка продолжительности эксплуатации j-го участка выполняется по формуле (3). В примере расчета для теплопроводов всех диаметров принят паспортный срок службы лет. Оценка продолжительности эксплуатации теплопроводов диаметром 300 мм:

Результаты оценки продолжительности эксплуатации теплопроводов по всем остальным группам диаметров представлены в таблице 9.

1.4 Оценка расхода теплоносителя в расчетном режиме функционирования j-го участка выполняется по формуле (4). В примере расчета в расчетном режиме функционирования тепловой сети суммарный расход теплоносителя равен . Оценка расхода теплоносителя в расчетном режиме функционирования теплопроводов диаметром 300 мм:

Результаты оценки продолжительности эксплуатации теплопроводов по всем остальным группам диаметров представлены в таблице 9.

1.5 Оценка отключаемой при отказе j-го участка суммарной тепловой мощности нагрузки выполняется по формуле (5). В примере расчета суммарная тепловая мощность нагрузки сети в целом равна . Оценка отключаемой суммарной тепловой мощности нагрузки при отказах теплопроводов диаметром 300 мм:

Результаты оценки отключаемой суммарной тепловой мощности нагрузки теплопроводов по всем остальным группам диаметров представлены в таблице 9. теплопровод планирование финансовый параметр

Определение веса i-го параметра в общем объеме информации о техническом состоянии j-го участка тепловой сети и приоритета замены теплопроводов d-го диаметра (группы диаметров).

Так как в примере планирования замены участков резервированной тепловой сети котельной мощностью 4,8 Гкал/ч не используются результаты диагностических обследований теплопроводов различных диаметров, то вес параметров, характеризующих техническое состояние участков, задается в соответствии с выше указанными рекомендациями. При этом вес каждого i-го параметра в общем объеме информации о техническом состоянии j-го участка (w_ij) принимается одинаковым (таблица 7). Для 5-ти используемых параметров, вес каждого равен:

Таблица 7 - Вес i-го параметра в общем объеме информации о техническом состоянии при отсутствии статистики отказов и восстановлений j-го участка

* K_i - количество параметров, используемых при планировании замены

Приоритет замены теплопроводов d-го диаметра (группы диаметров) в рассматриваемой тепловой сети представлен в таблицах 8 и 9.

Таблица 8 - Приоритет замены теплопроводов разных диаметров (групп диаметров) тепловой сети районной котельной, мощностью 4,8 Гкал/ч

Суммарная относительная оценка технического состояния j-го участка тепловой сети

Суммарная относительная оценка технического состояния j-го участка тепловой сети с учетом веса каждого технологического параметра и приоритета замены d-го диаметра (группы диаметров) вычисляется по формуле (6). В примере расчета суммарные относительные оценки технического состояния участков тепловой сети диаметром 300 мм:

Результаты расчета суммарных относительных оценок технического состояния всех остальных участков тепловой сети различных диаметров (групп диаметров), а также нормированные по формуле (8) значения этих оценок, представлены в таблице 9.

Определение стоимости работ по замене j-го участка d-го диаметра (группы диаметров)

Стоимость работ по замене j-го участка d-го диаметра (группы диаметров) в примере расчета определяется по материальной характеристике этого участка (М_j) и средней для всех диаметров стоимости подземной бесканальной прокладки теплопровода с_ср = 100,494 т.руб./м² (в ценах 2014 г. по данным теплоснабжающих организаций С. Петербурга):

где - длина j-го участка тепловой сети, м;

- диаметр j-го участка тепловой сети, м.

Стоимость работ по замене участков тепловой сети диаметром 300 мм (группы диаметров) с учетом одновременной замены прямого и обратного теплопроводов:

Результаты определения стоимости работ по замене всех остальных участков тепловой сети представлены в таблице 9.

Оптимальное планирование замены участков резервированной тепловой сети котельной мощностью 4,8 Гкал/ч

Если задача оптимального выбора планируемых к замене участков ставится только относительно теплопроводов выработавших эксплуатационный ресурс, то в тепловой сети котельной мощностью 4,8 Гкал/ч из 29-ти участков, выбираются только участки, у которых период эксплуатации равен или больше паспортного срока службы. Таких участков в тепловой сети пять: №№ 3, 43, 15, 62 и 55.

Естественным условием выполнения работ по замене этих участков, является равенство или большее значение суммы выделяемой на выполнение работ по замене участков в текущем году эксплуатации относительно стоимости замены самого «дорогого» участка тепловой сети . В примере расчета таким участком является участок № 43.

Таблица 9 - Относительные оценки значений параметров, характеризующих техническое состояние участков тепловой сети

Стоимость его замены равна 48237,1 т. руб. Если эту стоимость принять в качестве ограничения (т.е. в качестве суммы, выделяемой на выполнение работ по замене участков в текущем году эксплуатации ), то очередность замены определится значением нормированной суммарной относительной оцен...