Структура энергоблоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Энергоблоки являются важнейшим элементом тепловых электростанций (ТЭС) и энергосистем, от надежной работы которых зависит функционирование самой системы и объектов народного хозяйства, являющихся потребителями электроэнергии и тепла.

Основная цель дисциплины - изложение основ теории надежности и методов их практического применения для расчета надежности энергоблоков ТЭС.

Проблема надежности энергоблоков и их элементов связана с вопросами определения показателей их надежности на стадиях проектирования, сооружения и эксплуатации.

При этом необходимо обеспечить:

бесперебойное энергоснабжение потребителей;

заданное количество отпускаемой энергии (частоту, напряжение электрического тока, давление и температуру пара и горячей воды);

выполнение графиков нагрузки;

максимальную экономичность;

экологическую и техническую безопасность.

Энергоблоки представляют собой крупногабаритные малосерийные или штучные технические изделия, они во многих практических случаях не проходят контрольной общей сборки и испытаний на заводах-изготовителях. Все это в эксплуатации приводит к уменьшению долговечности и выходу из строя энергоблоков. Происходит и естественное их старение, требующее систематических профилактических ремонтов. Уже через 20…25 лет работы энергоблок значительно снижает свою надежность и экономичность, а через 30…40 лет практически требует замены.

Характерными условиями эксплуатации ТЭС являются нестационарность режимов работы, нестабильность топливного баланса, старение теплоэнергооборудования, неодинаковое количество вновь изготовленного и прошедшего ремонтное обслуживание теплоэнергооборудования энергоблока.

Значительное влияние на надежность работы энергоблоков оказывают большие массы металла теплоэнергооборудования, температура которого резко изменяется при переменных режимах. Возникающие при этом температурные развертки приводят к уменьшению надежности всего энергоблока.

Значимость надежности ТЭС в значительной степени обостряется необходимостью обеспечения непрерывного баланса «выработка - потребление», когда в любой момент времени объем вырабатываемой энергии не может превышать спроса на неё.

1. Основные понятия

Надежность - свойство объекта (энергоблока) выполнять требуемые функции (по выработке энергии) в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Надежность выступает в роли функциональной категории качества как множества заданных функций энергоблока, которые имеют ограничения по времени и условиям функционирования (рис. 1.1).

Рис. 1. Иллюстрация понятия надежности:

1 - множество заданных функций, 2 - множество условий функционирования, 3 - множество временных интервалов, 4 - множество, характеризующее надежность

Множество заданных функций 1 зависит от типа энергоблока и включает:

производство и выдачу электроэнергии в энергосистему (или непосредственно потребителям) согласно заданному графику нагрузки;

производство и выдачу тепла потребителям;

обеспечение качества выдаваемых электроэнергии (по частоте и напряжению) и тепла (по параметрам пара ли воды);

транзит энергии через распределительные устройства.

Множество условий функционирования 2 определяет:

вид топлива, его запасы;

режим работы энергоблока;

сезонные условия эксплуатации;

аварийный резерв в энергосистеме;

состояние связей с энергосистемой;

экологическую и техническую безопасность.

Множество временных интервалов функционирования 3 включает:

период эксплуатации энергоблока (начальный, нормальной эксплуатации, старения);

период восстановительного или планового ремонта;

период функционирования (сутки, месяц, год);

период осенне-зимнего максимума или весенне-летнего минимума нагрузки.

Пример 1.1. Энергоблок выдает в энергосистему мощность N (множество 1) по постоянному графику нагрузки. Вероятность такого режима составляет Р_N (множество 2) в течение _раб (множество 3). Надежность энергоблока определяется отпуском энергии с шин (множество 4): Э = NP_Nраб, то есть его работоспособностью.

Работоспособность - состояние энергоблока (объекта), при котором он способен выполнять все или часть заданных функций в требуемом объеме.

Потеря работоспособности в теории надежности называется отказом. Полный отказ - при полной потере работоспособности, частичный отказ - при снижении работоспособности. Внезапные отказы являются следствием поломок или аварийных ситуаций. Постепенные отказы происходят из-за износа деталей, загрязнения поверхностей нагрева, изменения проходных сечений в результате отложений и т.д.

Наработка на отказ - время работы энергоблока (объекта) от начала эксплуатации до отказа (или между двумя соседними отказами).

Восстановление - обеспечение уровня работоспособности энергоблока (объекта) путем проведения ремонта. Процесс функционирования энергоблока за период жизни характеризуется большим числом отказов и восстановлений.

Основными с позиций надежности являются следующие свойства энергоблока.

Безотказность - работоспособность в течение заданного времени (нулевая вероятность появления отказа).

Долговечность - сохранение работоспособности до наступления предельного состояния (при установленной системе технического обслуживания). Предельное состояние характеризуется невосстанавливаемостью энергоблока (объекта) в связи с достижением такого износа и старения, устранение которых становится невозможным или нецелесообразным.

Живучесть - свойство энергоблока противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением работоспособности потребителей.

Ремонтнопригодность - пригодность энергоблока к диагностике отказов и к устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Безопасность - способность энергоблока обеспечить экологическую и техническую безопасность путем поддержания экологических и технических параметров на заданном уровне.

Режимная управляемость - свойство энергоблока поддерживать заданный режим с помощью средств управления.

2. Отказ и восстановление

Отказ и восстановление являются противоположными событиями. События, происходящие одно за другим в моменты времени _i, образуют поток событий. Простейший поток отказов и восстановлений графически представлен на рис. 1.2, где ₁, ₂,…, _n - время наработки на отказ (от начала работы до отказа), а _В1, _В2,…, _Вn - время восстановления.

Рис. 2. Поток отказов и восстановлений

Потоки событий можно описать с помощью рядов распределения случайных величин, характеризующих вероятность появления этих событий P(m), где m - число отказов (случайных событий). Есть ряд стандартных распределений: равномерное, нормальное, экспоненциальное и т.д. Особенность нормального закона распределения заключается в том, что он является предельным законом, к которому приближаются все другие законы распределения.

Для восстанавливаемых элементов вероятность безотказной работы (до наработки Т₀) определяется как Р() = exp (- ), где - рассматриваемый интервал времени; = 1/Т₀ - интенсивность отказов. Под элементом понимается энергоагрегат, имеющий определенное функциональное назначение, не подлежащий дальнейшему структурному разделению. В качестве элемента могут рассматриваться энергоблок в составе энергосистемы или котел, турбина, электрогенератор - в составе энергоблока.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

В процессе эксплуатации элемента интенсивность отказов изменяется (рис. 3). Период эксплуатации можно разделить на следующие области: приработки отказов 1, нормальной эксплуатации 2, отказов по причине старения оборудования 3.

Приработочные отказы возникают в начале эксплуатации из-за дефектов изготовления и монтажа. В области нормальной эксплуатации (рабочей области) интенсивность отказов является постоянной, а в области старения - постепенно увеличивается вследствие износа элементов. Старение частично компенсируется путем капитальных ремонтов с заменой изношенных деталей. Можно считать, что на элемент действуют потоки событий в форме марковских случайных процессов (когда состояние элемента в будущем не зависит от его прошлого, то есть от того, каким путем он достиг настоящего состояния).

Очевидно, практически любой случайный процесс можно представить как марковский, если в текущее состояние включить и его прошлое. В непрерывном процессе времени в любой его момент сумма вероятностей всех состояний элемента . Определение вероятностей каждого из состояний Р₁(),…, Р_n() является одной из основных задач теории надежности.

Вероятность события Х определяется как , где m - число случайных событий, n - число всех событий.

Пример 1.2. Статистические данные анализа суточных графиков нагрузки энергоблока показывают, что длительность максимальной нагрузки в течение суток _МАХ = 6 ч. Вероятность возникновения максимальной нагрузки в течении суток как случайного события .

Для энергоблоков и теплоэнергооборудования наиболее вероятны сложные события, являющиеся комбинацией нескольких событий.

Для независимых случайных событий, вероятность появления которых не зависит от вероятности других событий, справедлива аксиома: вероятность возникновения хотя бы одного из двух случайных независимых и несовместных событий равна сумме вероятностей этих событий, то есть . События называются совместными, если при осуществлении одного из них возможно появление другого, если - нет, то события несовместны.

Пример 1.3. Вероятности погасания факела при выходе из строя пылепитателя первой горелки - Р(Х₁) = 0,02, второй - Р(Х₂) = 0,015. Вероятность погасания факела в топке котла, работающего с двумя горелками, равно (так как эти события являются независимыми и несовместными) .

Пример 1.4. На ТЭС в течение года производится ремонт турбогенератора при отказах оборудования с вероятностью Р(Х₁) = 0,03 и текущий ремонт (по графику ремонтов), вероятность которого Р(Х₂) = 0,025. Эти события (ремонты) являются несовместными и независимыми, следовательно, вероятность ремонта турбогенератора .

Из аксиомы о сумме вероятностей событий следует, что сумма вероятностей противоположных, то есть взаимоисключающих, событий равна единице: , где - событие, противоположное событию Х.

Пример 1.5. Тепловая схема энергоблока большую часть времени находится в нормальных условиях эксплуатации, при этом всё оборудование исправно. Состояние схемы в этом случае является рабочим, а его вероятность равна Р(Х). Возможны случаи отказов отдельного оборудования или вывода его в плановый ремонт, что соответствует неработоспособному состоянию схемы с вероятностью . Очевидно, эти два состояния могут рассматриваться как независимые противоположные события, поэтому . Если вероятность отказа схемы = 0,002, то вероятность работоспособного состояния .

Для зависимых случайных событий, вероятность которых зависит от вероятности других событий, вводится понятие условной вероятности. При этом условной вероятностью события Х₁ по отношению к событию Х₂ называется вероятность события Х₁ при условии, что событие Х₂ происходит: .

Пример 1.6. Выход из строя одного из рабочих конденсатных насосов (событие Х₂) увеличит вероятность отказа турбины (событие Х₁), поскольку в этом случае турбина лишится резерва по конденсатным насосам. Так как эти события являются зависимыми, условная вероятность отказа турбины , где вероятность отказа турбины при отказе конденсатного насоса (вероятность произведенных двух событий) .

Из этого следует: вероятность одновременного возникновения двух несовместных событий равна нулю, то есть (например, тепловая схема находится в ремонте, следовательно, не может возникнуть отказ этой схемы); вероятность одновременного возникновения двух независимых и совместных событий равна произведению их вероятностей, то есть .

Пример 1.7. Вероятность появления максимальной нагрузки для ТЭС Р(Х₁) = 0,8. Вероятность отказа энергоблока Р(Х₂) = 0,07. Вероятность возникновения одновременно двух событий .

С помощью аксиомы о сумме вероятностей и правила уменьшения вероятностей можно определить вероятность возникновения хотя бы одного из двух независимых и совместных случайных событий: .

Пример 1.8. Турбогенератор энергоблока во время работы может отключаться при отказе котла с вероятностью Р(Х₁) = 0,054 и электрической части - с вероятностью Р(Х₂) = 0,005. Тогда вероятность отключения турбогенератора .

Вероятность сложного события Х₁ зависит от вероятности событий Х₂,…, Х_n, комбинацией которых она является:

.

Пример 1.9. На рис. 1.4. показана схема энергоблока. Работа турбины зависит от работы всех элементов, связанных техническим процессом. Вероятность отказа турбины Р(Х₁) как сложного события

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом выражении условная вероятность отказов элементов при непосредственной связи вероятности отказов котла - Р(Х₂) = 0,03, электрогенератора - Р(Х₃) = 0,01, конденсатора - Р(Х₄) = 0,005.

3. Показатели надежности

Надежность каждого элемента может быть представлена стационарными значениями показателей: коэффициентом готовности К_Г, временем наработки на отказ Т₀, ч (или частотой отказов , 1/год), временем восстановления Т_В, ч.

Коэффициент готовности характеризует вероятность работоспособного состояния в произвольно выбранный момент времени и для элемента с чередованием состояний «работа - восстановление» определяется как

,

поскольку для экспоненциального закона распределения , , где - интенсивность восстановления.

Частота отказов элементов оценивается числом повреждений (выходом из строя) элементов в единицу времени и определяется как отношение числа отказавших элементов n₀ за период к общему числу однотипных элементов n:

.

Пример 1.10. Наработка на отказ составляет для котла Т0 = 1400 ч. Тогда частота отказов . Интенсивность отказов .

Время восстановления элемента определяется временем восстановительного ремонта с учетом времени диагностики (обнаружения дефекта).

Пример 1.11. Частота отказов котла составляет , а время восстановления Т_В = 50 ч. Определим коэффициент готовности котла:

.

На ТЭС элементы могут быть соединены между собой последовательно или параллельно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

При последовательном соединении (котел - турбина - электрогенератор) отказ одного из элементов приводит к отказу энергоблока (как последовательной структуры). В этом случае частота отказов энергоблока равна сумме частот отказов элементов

,

а время восстановления

.

Пример 1.11. Схема энергоблока представлена на рис. 1.5. Частоты отказов котла, турбины и электрогенератора - , , . Соответствующее время восстановления: Т_В1 = 50 ч, Т_В2 = 45 ч, Т_В3 = 90 ч.

Для энергоблока как последовательной структуры частота отказов

Наработка на отказ в целом энергоблока составит: , а время восстановления

По этим данным коэффициент готовности энергоблока

.

Параллельное соединение характерно для котлов, работающих на паровую магистраль (например, для ТЭЦ с поперечными связями), для схем с резервированием, для энергоблоков в энергосистеме.

Частота отказов, 1/год, для двух параллельно соединенных элементов

энергоблок надежность электростанция

,

а время восстановления, ч,

.

На ТЭС при параллельно работающих элементах выход из строя одного из них приводит только к частичной потере работоспособности ТЭС. В этом случае используется коэффициент обеспечения заданного отпуска энергии

,

где Э - недоотпуск энергии. В случае, описываемом коэффициентом готовности,

.

При неравномерных графиках нагрузки возможно совпадение пониженной мощности N_i, вызванной частичным отказом, с её соответствующим уровнем W_j по графику нагрузки и даже её превышение, определяемое вероятностью P_i(W_j N_i) > 0.

Размещено на Allbest.ru