7233

потери и на величину этих потерь следует повысить напор насоса. Этому режиму соответствуют линии 2. Напор насоса изменяется с н до н . Горячая вода отбирается через регулятор РКС, на открытом клапане которого срабатывается напор ∆РКС . Напор в системе горячего водоснабжения равен ∆г.в . По обратному теплопроводу движется отопительный расход.

При водоразборе только из обратной линии (а = 0) по подающей линии идет лишь отопительный расход. Расход воды в обратном теплопроводе уменьшается, и пьезометрическая линия делается положе. Для предотвращения недопустимого снижения напора в обратной линии и опорожнения местных систем установлен клапан подпора РД. В предельном режиме, когда ?г.в ?от, клапан РД закрыт, давление в местных системах обеспечивает их заполнение, движение воды в обратном теплопроводе прекращается, пьезометрическая линия занимает горизонтальное положение, напор в системе горячего водоснабжения равен г@. Этот режим показан линиями 3. Для сохранения в этом режиме постоянного располагаемого напора перед абонентами ∆аб напор насоса должен быть уменьшен до н@. При дальнейшем увеличении водоразбора, когда ?г.в % ?от, начнет падать уровень воды в системе и произойдет нарушение работы.

При водоразборе как из подающего, так и из обратного теплопроводов пьезометрические линии будут занимать промежуточные положения, а требуемый напор насоса нA будет изменяться от н до н@. И в промежуточных режимах при (1 — а) ?г.в % ?от произойдет опорожнение и нарушение работы местных систем.

На рис. 8.15 показана условная схема открытой системы теплоснабжения, изображенная таким образом, чтобы наиболее ярко подчеркнуть ее гидравлические характеристики и изменение движения воды по ее элементам. Источник тепла представлен насосом Н, подающий и обратный теплопроводы, а также система отопления изображены гидравлическими сопротивлениями Sп, Sо, Sаб. Система открытого водоразбора отражена переменными сопротивлениями клапана РКС и сопротивлением водоразборной арматуры. Так как вода при водоразборе свободно изливается в атмосферу, для получения гидравлически замкнутой системы вводим фиктивный насос ФН. Такая схема позволяет рассчитать любой гидравлический режим, а также по известному водоразбору определить гидравлическое сопротивление циркуляционного контура, проходящего через клапан РКС, или по его сопротивлению определить водоразбор.

41

Рис. 1.15. Условная схема откры той системы теплоснабжения

П , О, Аб — подающий теплопрово д, обратный теплопровод, абонентский ввод; гидравлические сопротивления подающего и обратного теплопров одов, абонента (системы

отопления), клапана РКС по подающей и обратной линии и водоразборной арматуры; H – циркуляционный насос, ФН – фиктивный насос.

отсутствии водоразбора вся вода циркулирует через систему отопления, через гидравлические с опротивления Sп, Sаб, Sо.

При водоразборе только из подающего трубопровода (а = 1) в схему включается параллельн ый системе отопления циркуляционный контур, проходящий через клапан РКС, общее гидравлическое соп ротивление системы уменьшается, по подающему теплопроводу идет повышенный расход теплоносителя (больше отопительного) и пьезометрические линии располагаются круче. Но, так как напор, развиваемый сетевым насосом, постоянен (считаем, что характеристика насоса пологая), с увеличением потерь в подающем теплопроводе возможные потери напора у абонента и в обратном теплопровод е уменьшаются, что приводит к уме ньшению расхода воды через сист ему отопления.

При увеличении водоразбора будет уменьшаться гидравлическое сопротивление контура Р КС, увеличиваться расход воды из п одающей линии, будут увеличиваться потери напора в ней, уменьшаться располагаемый напор у абонента, п отери напора в обратном трубопро воде и напор в обратной линии. При достижении предельного уровня и з условия залива местных систем водой, падение напора прекратится в результате прикрытия клапана регу лятора подпора, на котором будет сработан напор

42

. Промежуточный режим показан на рис. 8.16 линиями 2. Рас-

водоразбора расход воды через систему отопления будет ум еньшаться вплоть до нулевого расх ода, когда наступит предельный ре жим (линия 3). В подающем и обратно м теплопроводах на вводе установится одинаковый

Рис. 1 16. Пьезометрический гр афик (а) и схема (б) открытой системы теплоснабжения без регуляторов расхода (напор сетевого насоса постоянный)

1 — пьезометрические линии, соответствующие первоначальной регулировке системы при чисто отопительной нагрузке, 2 — пьезометрические линии при водоразборе только из подающего трубопровода (а = 1), 3 — предельный режим водоразбора из подающего трубопровода, когда расход на отопление равен нулю (Vот = 0); 4 — предельный режим водоразбора только из обратного трубопровода (а = 0), 5 — уровень напора при опор ожнении местных систем; остальные обозначения те же, что и на рис. 8.14.

Дальнейшее увели чение водоразбора приводит к опор ожнению местных систем.

При водоразборе только из обратного трубопровода ( а = 0) в схему включается параллельн ый обратному теплопроводу циркуляционный контур, проходящий че рез клапан РКС, общее гидравлическое сопротивление системы уменьшается, по подающему теплопроводу и через систему отопления идет повышенный расход теплоносителя. Расход воды по обратному теплопроводу меньше, чем по подающему на ве личину водоразбора. Уменьшение расхода воды по обратному теплопроводу при-

43

водит к высвобождению дополнительного напора в основном циркуляционном контуре и увеличению в нем циркуляционной воды.

Предельному режиму будет соответствовать водоразбор, равный расходу воды через систему отопления. При этом режиме в обратном теплопроводе абонентского ввода установится напор, соответствующий предельному уровню зд, клапан РД закроется и движение воды по обратной магистрали прекратится. Весь напор п — зд будет сработан в подающем теплопроводе и системе отопления.

При этом VОТ4 будет максимальным расходом воды через систему отопления. В системе горячего водоснабжения напор равен г.вB. Этот режим показан линиями 4. Дальнейшее увеличение водоразбора приведет к нарушению работы местных систем.

Пьезометрические линии промежуточных режимов (0 < а < 1) будут заключаться внутри рассмотренных крайних линий. При этом также может возникнуть предельный режим на границе нарушения работы местных систем. При предельном режиме весь теплоноситель, движущийся от источника тепла, расходуется на горячее водоснабжение. Движение в обратной магистрали прекращается и дальнейшее увеличение водоразбора приводит к нарушению работы местных систем.

Для расчета любого гидравлического режима открытой системы теплоснабжения без регуляторов расхода составим баланс потерь напоров в системе. Расход воды в системе отопления при любом режиме обозначим в долях расчетного расхода, используя относительную вели-

чину водяного эквивалента C:

а сопротивления элементов обозначим в долях суммарного гидравлического сопротивления системы DE∑:

Уравнение баланса будет иметь следующий вид:

По уравнению (1.11) можно решить любые задачи по гидравлическому режиму открытых систем теплоснабжения без регуляторов расхода у абонентов. При изучении гидравлических режимов по этому уравнению известными являются следующие величины: DEп, DEаб, DEо, H и ?от р. Переменными будут Нн/Ннр, а и C.

44

2 . Н А Д Е Ж Н О С Т Ь Т Е П Л О В Ы Х С Е Т Е Й

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Понятие надежности отражает два главных подхода к оценке работы устройства или системы. Первый — это вероятностная оценка работоспособности системы. Необходимость в вероятностной оценке связана с тем, что продолжительность работы элементов системы обусловливается рядом случайных факторов, предвидеть воздействие которых на работу элемента не представляется возможным. Поэтому детерминированная оценка времени работы элемента заменяется вероятностной оценкой, т. е. законом распределения времени работы. Учет времени работы — это второй главный подход к оценке работоспособности системы. Надежность — это сохранение качеств элементом или системой во времени. В соответствии с этими основными свойствами понятия надежности главным ее критерием является вероятность безотказной работы системы (элемента) Р в течение заданного периода t .

По ГОСТу надежность определяется как свойство системы выполнять заданные функции с сохранением заданных эксплуатационных показателей в течение принятого времени эксплуатации. Для теплоснабжения заданной функцией является подача потребителям определенного количества воды с заданными температурой и давлением и определенной степени очистки.

Существуют два пути для создания надежных систем. Первый путь — это повышение качества элементов, из которых состоит система; второй

— резервирование элементов. Повышают надежность, реализуя прежде всего первый путь. Но, когда исчерпываются технические возможности повышения качества элементов или когда дальнейшее повышение качества оказывается экономически невыгодным, идут по второму пути. Второй путь необходим, когда надежность системы должна быть выше надежности элементов, из которых она состоит. Повышения надежности достигают резервированием. Для систем теплоснабжения применяют дублирование, а для тепловых сетей дублирование, кольцевание и секционирование.

Надежность характеризуется долговечностью — свойством сохранять работоспособность до предельного состояния с допустимыми перерывами или без них при техническом обслуживании и ремонтах. Системы теплоснабжения — долговечные системы.

Системы теплоснабжения — ремонтируемые системы, поэтому они характеризуются ремонтопригодностью — свойством, заключающимся в приспособленности системы к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Основным показателем ремонтопригодности систем теплоснабжения является время восстановления отказавшего

45

Время восстановления имеет большое значение при обосновании необходимости резервирования системы. Оно в основном зависит от диаметров трубопроводов и оборудования сети. При малых диаметрах время ремонта может оказываться меньше допустимого перерыва теплоснабжения. В таком случае нет необходимости в резервировании.

Для возможности оценки надежности системы прежде всего необходимо точно сформулировать понятие отказа элемента и системы. При формулировке понятия отказа элемента тепловой сети исходят из внезапности и длительности перерыва в теплоснабжении потребителей. Внезапный отказ элемента — это такое нарушение его работоспособности, когда отказавший элемент необходимо немедленно выключить из работы. При постепенном отказе вначале можно провести предварительный ремонт элемента без нарушения или с допустимым нарушением теплоснабжения, перенеся полный восстановительный ремонт на некоторое время, когда его выключение не приведет к отказу системы.

При расчете надежности системы и определении степени резервирования следует учитывать только внезапные отказы.

Таким образом, отказ элемента, учитываемый при расчете надежности систем теплоснабжения, — это внезапный отказ при условии, что τрем. > τдоп. Такой отказ у нерезервированных систем приводит к отказу системы, а у резервированных — к изменению гидравлического режима работы.

Причинами отказов, связанных с нарушением прочности элементов, являются случайные совпадения перегрузок на ослабленных местах элементов. Как перегрузки элементов, так и их ослабления определяются значениями ряда независимых случайных величин. Например, снижение прочности сварного шва может быть связано с непроваром, наличием шлаковых включений и других причин, которые в свою очередь зависят от квалификации сварщика, качества используемых электродов, условий сварки и т. п. Таким образом, отказы имеют случайную природу.

Изучение отказов, связанных с коррозией трубопроводов, нарушением работоспособности оборудования, приводит также к выводу, что их природа случайна. Вместе с тем совпадение ряда случайных факторов, которое может вызвать отказ, является событием редким, поэтому и отказы относятся к категории редких событий.

Таким образом, главные свойства отказов, учитываемых при расчете надежности, заключаются в том, что они представляют собой случайные и редкие события. Если нарушение работоспособности элемента не является случайным событием, то его можно предусмотреть и учесть в расчетах.

Задачей систем теплоснабжения является обеспечение требуемых уровней параметров у потребителей, при которых достигаются комфортные условия жизни людей. Аварийные отказы нарушают теплоснабжение жилых и общественных зданий, вследствие чего недопустимо

46

ухудшаются условия труда и отдыха населения, что вызывает последствия социального характера. К этим последствиям прежде всего относится сам факт нарушения нормальных условий работы и жизни людей, который приводит к увеличению числа заболеваний людей, к падению их работоспособности. Социальные последствия не поддаются экономической оценке. Вместе с тем их значение весьма велико, поэтому в методике оценки надежности систем теплоснабжения должны учитываться социальные последствия перерывов в подаче тепла.

Учитывая изложенное, при оценке надежности теплоснабжения следует исходить из принципиальной недопустимости отказов, считая, что отказ системы приводит к непоправимым для выполнения задачи последствиям.

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ. ПОТОК ОТКАЗОВ

Как отмечалось выше, повреждения участков теплопроводов или оборудования сети, которые приводят к необходимости немедленного их отключения, рассматриваются как отказы. К отказам приводят следующие повреждения элементов тепловых сетей:

1) трубопроводов: сквозные коррозионные повреждения труб; разрывы сварных швов;

2) задвижек: коррозия корпуса или байпаса задвижки; искривление или падение дисков; неплотность фланцевых соединений; засоры, приводящие к негерметичности отключения участков; 3) сальниковых компенсаторов: коррозия стакана; выход из строя

грундбуксы.

Все отмеченные выше повреждения возникают в процессе эксплуатации в результате воздействия на элемент ряда неблагоприятных факторов. Причинами некоторых повреждений являются дефекты строительства.

Наиболее частой причиной повреждений теплопроводов является наружная коррозия. Количество повреждений, связанных с разрывом продольных и поперечных сварных швов труб, значительно меньше, чем коррозионных. Основными причинами разрывов сварных швов являются заводские дефекты при изготовлении труб и дефекты сварки труб при строительстве.

Причины повреждений задвижек весьма разнообразны: это и наружная коррозия, и различные неполадки, возникающие в процессе эксплуатации (засоры, заклинивание и падение дисков, расстройства фланцевых соединений).

47

Все рассмотренные выше причины, вызывающие повреждения элементов сетей, являются следствием воздействия на них различных случайных факторов. При возникновении повреждения участка трубопровода его отключают, ремонтируют и вновь включают в работу. Со временем на нем может появиться новое повреждение, которое также будет отремонтировано. Последовательность возникающих повреждений (отказов) на элементах тепловой сети составляет поток случайных событий — поток отказов.

Поток отказов характеризуется параметром потока отказов ω, смысл которого раскрывается при рассмотрении характеристик ремонтируемых элементов. Предположим, что имеется возможность наблюдать за состоянием N одинаковых участков тепловой сети в течение t лет. За это время на каждом участке теплопровода было обнаружено m i ( t ) отказов, которые были устранены. В таком случае среднее число отказов до недоработки t будет:

∑O JKLMN

m c р ( t ) = KPQ

O

В пределе, при очень большом числе наблюдаемых объектов, получаем характеристику потока отказов:

∑O JKLMN

H ( t ) = RKJSTU KPQO .

Для теплопроводов и оборудования тепловых сетей функцию Н(t ) можно считать линейной:

H ( t ) = ωt .

Здесь ω = const — параметр потока отказов, 1/год. Его определяют из статистических данных повреждений, фиксируемых эксплуатационными службами. Если за время наблюдений t каждый элемент из N наблюдаемых отказал m i раз, то параметр

ω= ∑OKPQ JK

OVM

Величину Т, обратную параметру потока отказов, т. е. Т= 1/ω, измеряемую в годах, называют наработкой на отказ. Величина T - это среднее время работы элемента между отказами.

Параметр потока отказов теплопроводов ω, 1/год, обычно относят к 1 км длины. В этом случае

ω = ωT l,

где ωT — параметр потока отказов теплопровода, отнесенный к 1 км, 1/(км*год); l — длина теплопровода, км.

48

Поток отказов элементов систем теплоснабжения составляет однородный процесс Пуассона. Такой процесс характеризуется стационарностью, отсутствием последействия и ординарностью. Эти условия выполняются и для систем теплоснабжения.

Стационарность — это такое свойство потока случайных событий, когда вероятность наступления определенного их числа на заданном промежутке времени зависит от длительности рассматриваемого промежутка, но не зависит от его сдвига на ту или иную величину по оси времени. Стационарность нарушается при старении элементов. За период эксплуатации теплопроводов и элементов тепловых сетей процессы старения явно не выявляются, поэтому можно считать, что поток отказов элементов тепловых сетей является стационарным и величина параметра потока отказов сохраняется примерно постоянной.

Отсутствие последействия означает, что отказы в системе возникают независимо друг от друга. Это свойство характерно для тепловых сетей, ибо если один отказ может повлечь за собой другой, в системе предусматривается защита, предупреждающая такое явление.

Ординарностью обладают такие системы, у которых практически невозможно появление двух или нескольких отказов за малый промежуток времени. Системы теплоснабжения обладают свойством ординарности.

Вероятность m отказов за время t в простейшем потоке событии P m ( t ) определяется по закону Пуассона:

P m (t)=LWMNJ YZWM J!

где m = 0, 1, 2, ...

Вероятность того, что за время t не будет ни одного отказа (будет ноль отказов), равна:

P 0 (t) = YZWM [ LMN.

Эта вероятность — есть функция надежности. Таким образом, функция надежности элементов систем теплоснабжения подчиняется экспоненциальному закону.

Параметр потока отказов ω представляет собой частоту отказов в единицу времени. По предельной теореме Бернулли, частота появления события при большом числе опытов сколь угодно мало отличается от вероятности этого события в отдельном опыте. Следовательно, с известным приближением параметр потока отказов можно рассматривать как вероятность отказа в единицу времени. Если для элемента сети ω = 0,05*1/год, то можно считать, что вероятность отказа элемента в течение года равна 0,05. Иначе, если сеть включает 100 элементов, то в течение года откажет пять (любых) элементов из этих ста.

По формулам (2.5) и (2.6) вероятность отказа равна:

49

F ( t ) = 1 — Р ( t ) = 1 — e -ωt.

При малом ωt , например ωd t , в результате разложения выражения в ряде и отбрасывания нелинейных членов получаем:

F (d t ) = ω d t ,

т. е. вероятность отказа в момент d t равна ω d t , а в единицу времени — ω. Вероятность отказа с увеличением времени наблюдения t увеличивается. Так, если ω = 0,05*1/год, а время t = 0,6 лет (отопительный сезон),

то по формуле (10.5):

Рt (0,6) = ω t e - ω t ≈ω t ( 1 - ω t ) = 0,05*0,6 (1 -0,05*0,6) = 0,0291

(если ω t < 0,045, то e-ωt=1-ωt - с ошибкой менее 0,l %). При t=10 лет

Pi (10) = ω t e - ω t = 0,05*10 e-0.05*10 = 0,303.

Таким образом, с изменением времени наблюдения с 0,6 года до 10 лет вероятность отказа элемента увеличилась в 0,303:0,0291 = 10,4 раза. Из этого сравнения следует, что летние ремонтные работы на сетях, в результате которых система полностью восстанавливается, имеют очень большое значение. В этом случае за время наблюдения t можно принимать длительность отопительного периода.

В МИСИ им. В. В. Куйбышева проводилось изучение отказов тепловых сетей г. Москвы. Были рассмотрены повреждения теплопроводов, проложенных преимущественно в непроходных каналах.

Расчетное значение параметра потока отказов теплопроводов с доверительной вероятностью в 0,95 было получено равным

Для задвижек параметр потока отказов равен:

ω3 = 0,002 .

год

В результате статистической обработки времени отключения потребителей были получены следующие средние значения: для

трубопроводов D = 100÷200 мм τсрр= 5 ч; для трубопроводов D = 250÷400

мм τсрр = 9,1 ч.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ТЕПЛОСНАБЖАЮЩИХ CETЕЙ

Для систем теплоснабжения характерны следующие две черты. Первая — это принципиальная недопустимость отказов, которая вытекает из социального значения теплоснабжения. Вместе с тем, несмотря на высокие требования к надежности, допустимо кратковременное снижение качества системы во время ремонта отказавшего элемента — это

50