8754

Рис. 1.15. Условная схема открытой системы теплоснабжения

П , О , А б — подающий теплопровод, обратный теплопровод, абонентский ввод;о, аб, РКСп, РКСо, ва гидравлические сопротивления подающего и обратного теплопроводов, абонента (системы

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

Рассмотрим гидравлический режим в открытой системе теплоснабжения без регуляторов расхода и при поддержании напора сетевого насоса постоянным. Как и в предыдущем случае система отлаживается на чисто отопительный расход, причем перед всеми абонентами устанавливается постоянный располагаемый напор ∆аб. При отсутствии водоразбора вся вода циркулирует через систему отопления, через гидравлические сопротивления Sп, Sаб, Sо.

При водоразборе только из подающего трубопровода (а = 1) в схему включается параллельный системе отопления циркуляционный контур, проходящий через клапан РКС, общее гидравлическое сопротивление 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 теплопроводе уменьшаются, что приводит к уменьшению расхода воды через систему отопления.

При увеличении водоразбора будет уменьшаться гидравлическое сопротивление контура РКС, увеличиваться расход воды из подающей линии, будут увеличиваться потери напора в ней, уменьшаться располагаемый напор у абонента, потери напора в обратном трубопроводе и напор в обратной линии. При достижении предельного уровня зд из условия залива местных систем водой, падение напора прекратится в результате прикрытия клапана регулятора подпора, на котором будет сработан напор

41

∆РД2. Промежуточный режим показан на рис. 8.16 линиями 2. Располагаемый напор перед абонентами уменьшился до ∆аб2, потери напора в системе отопления также уменьшились. Напор в системе горячего водоснабжения равен г.в2. Он меньше напора в подающей линии 2 на величину потерь в открытом клапане ∆РКС2. При дальнейшем увеличении водоразбора расход воды через систему отопления будет уменьшаться вплоть до нулевого расхода, когда наступит предельный режим (линия 3). В подающем и обратном теплопроводах на вводе установится одинаковый напор, равный зд (высоте здания). Клапан РД будет закрыт. Движения воды в обратной магистрали не будет. При этом весь напор п1 — зд будет истрачен в подающем теплопроводе.

Рис. 1 16. Пьезометрический график (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 опорожнении местных систем; остальные обозначения те же, что и на рис. 8.14.

Дальнейшее увеличение водоразбора приводит к опорожнению местных систем.

При водоразборе только из обратного трубопровода (а = 0) в схему включается параллельный обратному теплопроводу циркуляционный контур, проходящий через 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 величину водоразбора. Уменьшение расхода воды по обратному теплопроводу при-

42

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 п1— 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.в4. 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 :

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

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: п, аб, о, и от р.

Переменными будут Нн /Нн р, а и .

43

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

44

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

45

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).

46

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:

∑ ( )

m c р ( t ) = =

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

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

H ( t ) = ω t .

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 = =

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.

47

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)=( )! −

где m = 0, 1, 2, ...

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

P 0 (t) = − = ( ).

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:

48

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

1

ωt = 0,05 км год.

Для задвижек параметр потока отказов равен: ω3 = 0,002 год1 .

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

49

составляет вторую черту. Отмеченные главные особенности систем теплоснабжения отражаются соответствующими критериями оценки их надежности.

Первым основным критерием является вероятностная оценка безотказности работы системы в течение всего срока службы или в течение времени между капитальными ремонтами. При этом считается, что во время капитальных ремонтов система полностью восстанавливается. Систему теплоснабжения как сложную техническую систему оценивают показателем качества функционирования.

Для расчета показателя качества функционирования системы теплоснабжения прежде всего необходимо точно сформулировать понятие отказа системы. Для нерезервированных систем понятие отказа формулируется однозначно, ибо отказ любого элемента приводит к отказу системы. При отказе головного участка или головного сооружения происходит полный отказ системы, и все потребители лишаются теплоснабжения. При отказе любого другого элемента происходит частичный отказ системы, когда лишается теплоснабжения только часть потребителей, расположенных за отказавшим элементом.

При формулировке понятия отказа для резервированных систем необходимо учитывать отмеченную выше вторую отличительную черту систем теплоснабжения, заключающуюся в допустимости кратковременного снижения качества теплоснабжения. Эту особенность отражает второй детерминированный показатель надежности. Он устанавливает, при каких условиях следует считать, что потребитель находится в отказовом состоянии. Таким образом, этот показатель определяет понятие отказа в теплоснабжении потребителя.

У резервированных систем при отказах отдельных элементов возникают аварийные гидравлические режимы и для обеспечения теплоснабжения потребителей элементы системы, оставшиеся работоспособными, должны иметь резерв пропускной способности (резерв мощности). Этот резерв определяют расчетом потокораспределения сети при аварийных ситуациях. Как показали работы МИСИ им. В. В. Куйбышева, учитывая особенности систем теплоснабжения, в аварийных ситуациях можно подавать потребителям пониженное количество теплоносителя, т. е. переходить на лимитированное теплоснабжение.

Установленная величина лимита определяет резерв пропускной способности системы, который рассчитывают для наиболее напряженных гидравлических режимов, возникающих в аварийных ситуациях. Лимит подачи тепла в аварийной ситуации Qлим устанавливают таким, что при подаче потребителю тепла не менее Qлим, он не будет находиться в состоянии отказа. Таким образом, для резервированных систем отказ — это отключение потребителя от системы, когда ему полностью прекращается подача тепла.

50