1326
.pdfУДК 681.518.22
М.Н. Калугин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН БЕЗОПАСНОСТИ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ В ГАЗОВОЙ КОТЕЛЬНОЙ
Рассмотрены подходы к созданию автоматизированной системы контроля безопасности в газовой котельной. Приведена математическая модель, описывающая безопасность в газовой котельной. Представлена структурная схема модели управления безопасностью в газовой котельной. Создана программа, позволяющая вычислить показатель безопасности рабочего места. Определены зоны опасности в программе.
Ключевые слова: система управления, газ, газовая котельная, трубопровод, авария, показатель безопасности, модель управления, зона опасности, доверительный интервал.
M.N. Kalugin
Perm National Research Polytechnic University
DEFINITION OF SECURITY ZONES IN THE AUTOMATED SYSTEM
OF SAFETY MANAGEMENT IN THE GAS BOILER HOUSE
Approaches to creation of the automated control system of security in the gas boiler house. The mathematical model describing safety in gas boiler. Presents a structural scheme of the model of security management in the gas boiler house. The program allows to calculate the indicator of the safety of the workplace. Identified hazard zones in the program.
Keywords: control system, gas, gas boiler, pipeline, accident and safety performance, management model, danger zone, confidence interval.
С каждым годом в мире возрастают объемы производства, строятся новые дома, что влечет за собой рост нагрузки на центральные и индивидуальные тепловые пункты, на котельное оборудование. На этом фоне возрастает аварийность технического оборудования. Возросшее число аварий в котельных и тяжесть их последствий ставят вопрос о практической потребности в управлении безопасностью этих объектов.
Обеспечение безопасной эксплуатации теплотехнического оборудования, работающего на газе, – одна из важнейших задач, стоящих перед проектировщиками и обслуживающим персоналом котельной.
Решение этой задачи на практике осложняется изношенностью оборудования, его физическим и моральным старением, неисправностью отдельных элементов средств автоматизации, а также недостаточно высоким уровнем квалификации и низкой технологической дисциплиной обслуживающего персонала, что может повлечь за собой серьезные аварии, сопровождающиеся человеческими жертвами [1].
101
Стр. 101 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
− (Ti (t) − M (Ti (t)))2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
− Т |
|
(t) 1+ |
|
|
|
|
|
Т |
|
exp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp(−л |
|
t ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2σT2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
доп |
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Tдоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CK |
|
|
|
|
|
− (Ki (t) − M (Ki (t))) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
− K |
(t) 1+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
exp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp(−л |
|
|
t ) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2σ2K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
доп |
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kдоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
E |
|
|
|
|
|
− (Ei (t) − M (Ei (t)))2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
− E (t) |
1+ |
|
|
|
|
|
|
|
exp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp(−л |
|
t ) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2σ2E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
доп |
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Едоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CP |
|
|
|
|
|
− |
( |
ρ |
(t) − M |
ρ |
(t) |
)) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
(δ + ae−bτ )− (δ + ae−bτ ) |
|
|
|
|
exp |
|
i |
( |
i |
|
|
exp( |
−лρt ) |
− ρдоп |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
σρ 2π |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2σρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
+ 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρдоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cρ |
|
|
|
|
|
|
|
− (ρi (t) − M (ρi (t)))2 |
|
|
|
|
|
|
(−л t ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
ρ (t) − ρ |
|
(t) |
|
|
|
|
|
|
|
exp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp |
|
− ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
σρ |
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
2σρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
|
|
|
|
доп |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρдоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
τ |
|
|
|
− (τi (t) − M (τi (t)))2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
− τ |
(t ) 1 |
+ |
|
|
|
|
|
exp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp(−л |
|
t ) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
στ |
|
|
|
|
|
|
|
2στ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
доп |
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
+ 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τдоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
103
Стр. 103 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
− (τi (t) − M (τi (t))) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
τ |
|
− τ |
(t ) 1+ |
|
exp |
|
|
exp(−л |
t ) |
|
||||
|
στ 2π |
2στ2 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
доп |
i |
|
|
|
|
τ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τдоп |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где P – давление; T – температура;
K – концентрация метана;
Е – механическое напряжение в стенке трубопровода; Рдоп – предельно допустимое давление в трубе; Тдоп – предельно допустимая температура в трубе;
Едоп – предельно допустимое механическое напряжение в стенке трубы; Kдоп – предельно допустимая концентрация метана в верхней зоне котельной;
τдоп – предельно допустимое время продолжительности опасного воздействия; ρдоп – предельно допустимое расстояние опасного воздействия;
Pi (t), Ti (t), Ki (t), Ei (t), τi (t), ρi (t) – текущее значение соответственно давления,
температуры, концентрации метана, механического напряжения в стенке, времени опасного воздействия, расстояния опасного воздействия;
СР, СТ, СK, СЕ, Сρ, Сτ – коэффициенты усечения усеченного нормального закона соответственно давления, температуры, концентрации метана, механического напряжения в стенке, расстояния опасного воздействия, времени опасного воздействия;
σР, σТ, σK, σЕ, σρ, στ – среднеквадратическое отклонение случайной величины соответственно давления, температуры, концентрации метана, механического напряжения в стенке, расстояния опасного воздействия, времени опасного воздействия;
M (Pi (t)) , M (Ti (t)), M (Ki (t)), M (Ei (t)), M (ρi (t)), M (τi (t)) – математическое
ожидание случайной величины соответственно давления, температуры, концентрации метана, механического напряжения в стенке, расстояния опасного воздействия; времени опасного воздействия;
л – интенсивность проявлений случайных изменений соответственно давления, температуры, концентрации метана, механического напряжения в стенке, расстояния опасного воздействия, времени опасного воздействия;
t – текущее время.
Для внедрения данной системы в котельной предприятия была создана программа автоматизированного управления безопасностью в газовой котельной «Показатель безопасности» (ПБ). На рис. 2 показан интерфейс программы.
Данная программа была зарегистрирована и протестирована на базе котельной предприятия ООО «Газлайн».
Для увеличения информативности и избавления оператора системы управления безопасностью от необходимости запоминания допустимых значений параметров безопасности в программе управления безопасностью реализован кластерный анализ. Под кластеризацией понимается деление промежутка величин показателей безопасности на несколько зон. Большое количество кластеров (зон безопасности) может отрицательно сказаться на работе оператора с системой, поэтому для облегчения работы с системой и упрощения задачи кластеризации количество кластеров было определено равным 3.
104
Стр. 104 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Рис. 2. Интерфейс программы «Показатель безопасности»
Задача кластеризации тесно связана с понятием доверительного интервала. В математической статистике доверительные интервалы дают представление о точности и надежности оценки параметра показателя безопасности.
Для параметров случайной величины Bрм, распределенных по нормальному закону, доверительный интервал определяется по формуле:
Iβ = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
− tβ D |
; |
m + tβ D |
|
, |
|
(2) |
||
|
|
|
n |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где n – количество независимых измерений случайных величин Pi (t), Ti (t), Ki (t), |
Ei (t), |
||||||||
τi (t), ρi (t) ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
n |
|
|
|
|
m = |
Xi |
, D = |
( Xi − m)2 |
(3) |
|||||
|
|
|
|
, |
|||||
|
i=1 |
|
|
|
i=1 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
n −1 |
|
|
|
|
|
m, D – это оценка математического ожидания и дисперсии случайной величины соответственно;
Хi – это случайная величина одного из параметров Рi, Ti, Ki, Ei, τi, ρi.
Значения tβ находятся по специальной таблице [2] в зависимости от доверительной вероятности β и (n – 1).
Доверительная вероятность для каждой из четырех зон была введена следующим образом:
1)IV зона – более 95 % для каждого из параметров (красный цвет);
2)III зона – от 90 до 95 % для каждого из параметров (оранжевый цвет);
3)II зона – от 85 до 90 % для каждого из параметров (желтый цвет);
4)I зона – менее 85 % для каждого из параметров (зеленый цвет).
При постепенном приближении действующих параметров к предельным значениям номер зоны будет последовательно меняться с первой до четвертой. По номеру зоны оператор определяет, насколько близко действующие значения параметров безопасно-
105
Стр. 105 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
сти подошли к своим критическим значениям, и далее принимает решение о продолжении работы, изменении технологических параметров или полной остановке.
Для облегчения работы с системой каждой зоне присваивается свой цвет и оператор может незамедлительно среагировать.
Список литературы
1.Трефилов В.А. Теоретические основы безопасности производственной деятельности: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 84 с.
2.Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учеб. для вузов. – М.: Высшая школа, 2002. – 575 с.
Получено 10.10.2013
Стр. 106 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
УДК 621.311.24
Г.А. Цветков, А.С. Хлюпин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
В связи с общемировой тенденцией роста объема ветроэнергетики встает вопрос о развитии данной отрасли в России и в странах ближнего зарубежья. Наша страна обладает большим запасом источников энергии в виде полезных ископаемых и других источников, именно поэтому большие промышленные ветроэлектростанции в России не получили своего развития.
Однако покрытие электросетями отдаленных от административных центров районов страны – задача на сегодня очень важная. Решить ее можно с помощью внедрения ветроустановок малой мощности. При этом необходимо обеспечить безопасность функционирования таких установок, так как их работа сопряжена с акустическим и вибрационным воздействием. Наличие таких воздействий и низкий КПД установок – одна из основных причин их малого распространения. Решить проблему предлагается с помощью прецизионных методов балансировки ветроколеса, ротора Дарье и максимального снижения трения в опорах.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, балансировка, опасные и вредные факторы, безопасность, человек – техника – среда, метод, ротор Дарье.
G.A. Tsvetkov, A.S. Khlyupin
Perm National Research Polytechnic University
SAFETY IMPROVEMENT METHODS IN WIND GENERATORS LOW POWER
EXPLUATATION
In connection with the global trend of growth in wind power raises the question of the development of this industry in Russia. The main problem here is that our country, having a large reserve of energy in the form of minerals, rivers, etc., moving towards the “raw material” of the economy. However, the majority of other countries, by contrast, have programs for renewable energy (including wind energy), making its economy as possible independent of energy prices. This independence should be a key objective of our country, but to go to it own way. To this end, this paper offers one possible direction of alternative energy development in Russia, through the development of the wind energy industry.
Keywords: wind power, wind energy, renewable energy.
В последние годы отмечается стремительное развитие ветроэнергетического комплекса. Так, за период с 2010 по 2012 гг. установленные мощности ветрогенераторов (табл. 1) выросли в среднем на 30 %.
107
Стр. 107 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Таблица 1
Суммарные установленные мощности ветрогенераторов, МВт, по странам мира 2010–2012 гг. [1, 2]
№ |
|
Установлен- |
Прирост мощ- |
Установлен- |
|
Прирост мощ- |
Установлен- |
Страна |
ные мощно- |
ностей за пер- |
ные мощно- |
|
ностей за пер- |
ные мощно- |
|
п/п |
сти на июнь |
вое полугодие |
сти на конец |
|
вое полугодие |
сти на конец |
|
|
|
||||||
|
|
2012 г., МВт |
2012 г., МВт |
2011 г., МВт |
|
2011 г., МВт |
2010 г., МВт |
1 |
Китай |
67 774 |
5 410 |
62 364 |
|
8 000 |
44 733 |
2 |
США |
49 802 |
2 883 |
46 919 |
|
2 252 |
40 180 |
3 |
Германия |
30 016 |
941 |
29 075 |
|
766 |
27 215 |
4 |
Испания |
22 087 |
414 |
21 673 |
|
480 |
20 676 |
5 |
Индия |
17 351 |
1 471 |
15 880 |
|
1 480 |
13 065 |
6 |
Италия |
7 280 |
490 |
6 787 |
|
460 |
5 797 |
7 |
Франция |
7 182 |
650 |
6 640 |
|
400 |
5 660 |
8 |
Великобритания |
6 840 |
822 |
6 018 |
|
504 |
5 203 |
9 |
Канада |
5 511 |
246 |
5 265 |
|
603 |
4 008 |
10 |
Португалия |
4 398 |
19 |
4 379 |
|
260 |
3 702 |
11 |
Россия* |
– |
– |
15,4 |
|
0 |
15,4 |
|
Другие страны |
35 500 |
3 200 |
32 227 |
|
3 200 |
29 500 |
|
Итого |
254 000 |
16 546 |
237 227 |
|
18 405 |
199 739 |
|
*Данные Европейской ассоциации ветроэнергетики EWEA [3]. |
|
|||||
|
Имеет место |
существенное отставание |
в развитии |
ветроэнергетики России |
|||
(см. табл. 1), однако, учитывая наличие в России больших площадей, непокрытых электросетями, вполне актуально развивать небольшие, портативные ВЭУ малой мощности. В соответствии с энергетической стратегией России на период до 2030 г. в развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) будет инвестировано поэтапно около
113–134 млрд долл. США [4].
Разработка ветроэнергетической установки для фермерских хозяйств имеет ряд перспективных особенностей:
1.Использование возобновляемого источника энергии;
2.Электрообеспечение отдаленных от административных центров местных хо-
зяйств;
3.Применение экологически чистого источника энергии (взамен или совместно
сдизель-генераторами).
В процессе работы ветроэнергетическая установка производит целый спектр механических, электромагнитных и звуковых колебаний (табл. 2).
На рис. 1 изображена зависимость уровня шума ветрогенератора от расстояния до его источника и, в качестве сравнения, продемонстрированы показатели шума от некоторых бытовых приборов [5].
108
Стр. 108 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
|
Таблица 2 |
Спектр опасных и вредных факторов от ВЭУ |
|
|
|
Наименование фактора |
Источник возникновения |
Аэродинамический шум |
Давление и трение набегающего потока об элементы ВЭУ, |
|
в основном лопасти, траверсы, стяжки. При этом каждая ло- |
|
пасть и траверса испытывает знакопеременную нагрузку, за |
|
счет чего может генерироваться и механический шум |
Аэродинамический ультра- |
Может генерироваться малыми и/или тонкими элементами |
звук |
ВЭУ, например, тросовыми растяжками, кронштейнами, |
|
стяжками, фиксаторами болтовых соединений и т.д. |
Механический шум компо- |
Появляется в процессе работы мультипликатора (коробки |
нентов |
передач) и подшипников |
Механический инфразвук |
Образуется в процессе появления соответствующих гармо- |
|
ник при работе вращающихся частей ступицы ветро- |
|
установки за счет неидеальности трущихся поверхностей, |
|
явных и скрытых дефектов и дисбалансов |
Электромагнитные колебания |
Вращение обмоток генератора в магнитном поле и воз- |
|
никновение электродвижущей силы в обмотках |
Аэродинамический |
Появляется за счет срыва потока с лопастей, турбулентности |
инфразвук |
ветрового потока за ВЭУ |
Вибрации |
Образуются за счет действия внешних возмущающих сило- |
|
вых воздействий, внутреннего взаимовлияния компонентов |
|
друг на друга, дисбалансов вращающихся деталей, изгибных |
|
колебаний лопастей и мачты. Как следствие вибраций возни- |
|
кают шум и инфразвук |
Рис. 1. Уровень шума от ВЭУ и бытовых приборов
Очевидно, что шумовое воздействие от ВЭУ на расстоянии 300 м (минимальное разрешенное расстояние до жилых домов) незначительно и приближенно равно 42–45 дБ, что немного больше работающего современного тихого холодильника.
109
Стр. 109 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Такое шумовое распределение и жесткие требования по дистанции установки от жилых домов справедливы только для промышленных крупных ВЭУ мощностью от 100 кВт. Малые ВЭУ для фермерских хозяйств также являются источниками шума и вибраций, однако их установка происходит непосредственно на территории хозяйства в 10–20 м от дома. В этом случае шумовое распределение на расстоянии 12 м, в зависимости от скорости ветроколеса, будет иметь следующий вид (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость уровня шума от скорости ветра для ВЭУ малой мощности
В соответствии с Российским законодательством в сфере ветроэнергетики, уровень звука, создаваемый одиночной ВЭУ на расстоянии 50 м от ветроагрегата на высоте 1,5 м от уровня земли, не должен превышать 60 дБА [6]. В жилых и общественных помещениях вблизи ВЭУ во всех случаях уровень звука работающих ВЭУ не должен превышать 60 дБА, инфразвука – 100 дБ.
Сравнивая показатели, указанные в ГОСТ Р 51991–2002 и приведенные в СанПиН (табл. 2), можно сделать вывод о завышении общих технических требований, изложенных в ГОСТе, по шуму на 5/15 дБА (днем/ночью), инфразвуку на 25 дБ.
Кроме того, стандарт основан на измерении шума от ВЭУ на расстоянии 50 м. Такое расстояние зачастую сложно обеспечить на небольшом фермерском хозяйстве, особенно в случае длительной работы фермера, вблизи ВЭУ.
Не нормируются параметры безопасности только тех ветроустановок, мощность которых не превышает 1 кВт [6]. Такой мощности для обеспечения электроэнергией фермерского хозяйства недостаточно, а устанавливать несколько маломощных установок невыгодно экономически. В связи с этим необходимо обеспечить безопасность эксплуатации установок, мощность около 3–5 кВт, в соответствии с требованиями
(см. табл. 2).
Таблица 2
Значения параметров опасных и вредных факторов в жилом помещении, нормируемые применимыми стандартами
Параметр |
Критическое значение |
Нормативный документ |
Вибрация (амплитуда виброускорения, |
0,004 м/с2 |
СН 2.2.4/2.1.8.566–6 |
м/с2) |
|
|
110
Стр. 110 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |