Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС 1 страница

(конспект лекций)

для студентов специальности

«Тепловые электрические станции»

Профессор кафедры ТЭС,

д. т. н. С.И. Шувалов

Иваново 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Определение надежности теплоэнергетических установок

Характерной отличительной особенностью электрических станций от производственных предприятий других отраслей промышленности является требование обеспечения непрерывного баланса «выработка электроэнергии – потребление электроэнергии». Это условие должно выполняться независимо от времени суток, дней недели, сезонных колебаний спроса на вырабатываемую продукцию, нестабильности качества поставляемого на электростанцию топлива и т.д.

Поскольку выработка электроэнергии впрок и ее складирование невозможно, то непредусмотренный заранее отказ в работе оборудования электростанции кроме затрат на восстановление этого оборудования может привести к существенному ущербу у потребителей электроэнергии, вызвать катастрофические ситуации на производствах с непрерывным режимом работы, создать аварийные ситуации на транспорте, в связи, значительно затруднить работу коммунальных служб. Поэтому основной задачей электростанций и энергосистем является обеспечение бесперебойного энергоснабжения потребителей. Эта задача может быть решена только при исправном состоянии и надежной работе оборудования.

ГОСТ 27.002-83 «Надежность в технике. Термины и определения» определяет надежность технического объекта как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Более поздняя редакция ГОСТ Р 53480-2009 определяет надежность как свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, поддержка технического обслуживания.

Готовность – способность объекта выполнять требуемую функцию при данных условиях в предположении, что необходимые внешние ресурсы обеспечены. Эта способность зависит от сочетания свойств безотказности, ремонтопригодности и поддержки технического обслуживания. Термин «Данные условия» может включать климатические, технические или экономические обстоятельства. Необходимые внешние ресурсы, кроме ресурсов технического обслуживания, не влияют на свойства готовности.

Для электростанции понятие надежности можно сформулировать более конкретно. Надежность ТЭС – это свойство сохранять во времени способность вырабатывать электрическую и тепловую энергию определенных параметров по требуемому графику нагрузки при заданной системе технического обслуживания и ремонтов оборудования.

ГОСТ содержит примечание: Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний следующих свойств:

Ø безотказности;

Ø долговечности;

Ø ремонтопригодности;

Ø сохраняемости.

Безотказность – это свойство объекта непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного времени. В новом ГОСТе безотказность –способность объекта выполнять требуемую функцию в заданном интервале времени при данных условиях

Долговечность – это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. По новому ГОСТу долговечность – способность объекта выполнять требуемую функцию до достижения предельного состояния при данных условиях использования и технического обслуживания.

Предельное состояние объекта – это состояние, при котором его дальнейшее применение недопустимо по условиям безопасности или экономически нецелесообразно, либо восстановление его работоспособного состояния технически невозможно или экономически нецелесообразно. Предельное состояние объекта может наступить, во-первых, у работоспособной установки при недопустимом снижении показателей ее безопасности или экономической эффективности; во-вторых, у установки, находящейся в неработоспособном состоянии в результате такого отказа, после которого восстановление работоспособности объекта технически невозможно или экономически неоправдано. В новой редакции предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна по причинам опасности, экономическим или экологическим.

Ремонтопригодность – это свойство объекта, заключающееся в приспособлении, во-первых, к предупреждению и обнаружению причин отказов путем контроля исправности составляющих элементов и систем и, во-вторых, к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов оборудования. Для обеспечения ремонтопригодности объекта необходимо наличие эффективной диагностики состояния объекта и проведение качественных технического обслуживания и ремонтов. В новой редакции ремонтопригодность – это способность объекта при данных условиях использования и технического обслуживания к поддержанию или восстановлению состояния, при котором оно может выполнять требуемую функцию.

Сохраняемость – это свойство объекта сохранять значения безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение или после хранения и транспортировки. В новой редакции сохраняемость – способность объекта выполнять требуемую функцию в течение и после хранения или транспортирования.

Характерным для энергетических установок является циклический режим работы, который представлен на рис.1.1. в виде графика. После некоторой продолжительности работы установка останавливается для проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР), при возникновении отказов во время работы проводятся неплановые ремонты (НР). В отдельных случаях период простоя установки может быть связан с модернизацией и реконструкцией ее отдельных элементов или внешними, не связанными с техническим состоянием установки, например, с выводом ее в резерв из-за снижения потребления электрической или тепловой энергии, отсутствием средств на закупку топлива или с аварией в энергосистеме, например, с обрывом ЛЭП.

Будем считать, что нахождение энергетической установки в резерве не оказывает влияния на ее надежность. В этом случае для энергетических установок основными составляющими надежности становятся безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Утверждение, что данная установка надежна или ненадежна, без указания, к какой составляющей надежности оно относится, является слишком общим. Ранее понятие надежности связывалось только с одной стороной надежности – с безотказностью. Однако установка может обладать низкой безотказностью, но иметь высокую долговечность или обладать высокой безотказностью, ни иметь низкую ремонтопригодность. Обычно улучшение одного составляющего свойства надежности достигается за счет ухудшения другого. Например, безотказность установки можно существенно повысить, если часто и долго ее ремонтировать. Но это будет означать, что установка имеет низкую ремонтопригодность. Таким образом, говоря о надежности установки, будем иметь в виду все три ее составляющих: безотказность, долговечность и ремонтопригодность. В противном случае будем оговаривать, о какой составляющей идет речь.

Лекция 2. ОТКАЗЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Одним из основных понятий теории надежности является понятие работоспособного состояния установки и отказа работы установки. По ГОСТ
Р 53480-2009 работоспособное состояние – состояние объекта, при котором он способен выполнять требуемую функцию при условии, что предоставлены необходимые внешние условия. При этом оговаривается, что объект в одно и то же время может находиться в работоспособном состоянии для некоторых функций и в неработоспособном состоянии для других функций. Отказ – это потеря способности объекта выполнять требуемую функцию.

Главная цель работы энергетической установки состоит в обеспечении потребителей электрической и тепловой энергией с заданными параметрами в требуемом количестве согласно диспетчерского графика нагрузок.

При проектировании энергетической установки состав входящего в нее оборудования выбирается таким образом, чтобы в целом при заданном качестве топлива и определенных параметрах внешней среды установка развивала бы заданную мощность. Эта мощность или производительность называется номинальной. Сумма номинальных мощностей установленных на электростанции турбогенераторов называется установленной мощностью электростанции.

При максимальном спросе на электроэнергию, а также в случае вынужденного останова других агрегатов на электростанции и возникающем при этом дефиците электроэнергии в некоторых случаях допускаются кратковременные перегрузки котлов и турбин выше номинальной мощности. Допустимый уровень перегрузок называется максимальной мощностью. Величина и максимальная продолжительность допустимой перегрузки определяются экспериментально и согласовываются с заводами-изготовителями оборудования.

В реальных условиях эксплуатации энергетических установок возможно ограничение их нагрузки ниже номинальной из-за изменения качества топлива, дефектов оборудования, изменения внешних условий. Значение фактической мощности, которую можно использовать в данный момент времени, называется располагаемой мощностью.

Тепловые энергетические установки допускают снижение производительности только до определенного предела, ниже которого отдельные агрегаты установки стабильно работать не могут. Эта мощность называется минимально допустимой мощностью. Она также определяется в результате испытаний и согласовывается с заводами-изготовителями.

Графики нагрузок электрической и тепловой энергии, формируемые потребителями, существенным образом изменяются в зависимости от времени суток, дней недели, месяцев. По электростанциям нагрузки распределяются диспетчерскими службами в зависимости от требуемой мощности в системе, располагаемой мощности отдельных установок электростанций и их экономичности.

Согласно ПТЭ, оборудование энергетических установок и сетей, принятых в эксплуатацию, должно находиться в одном из четырех оперативных состояний:

Ø работа;

Ø резерв;

Ø ремонт;

Ø консервация.

Вывод в ремонт или постановка на консервацию оформляются оперативной заявкой, подписанной главным инженером и поданной в диспетчерскую службу энергосистемы. В случае, если оборудование требуется отключить немедленно, то заявка не оформляется, но в диспетчерскую службу посылается оперативное извещение о причинах отключения и предполагаемой продолжительности ремонта поврежденного узла.

Таким образом, если соответствующие заявки не были оформлены, то предполагается, что оборудование находится в работоспособном состоянии и может нести нагрузку в пределах от минимально допустимой до максимальной. Значения этих мощностей зафиксированы в соответствующих документах электростанции и диспетчерских службах энергосистемы и министерства.

По определению, работоспособность – это состояние объекта выполнять заданную функцию, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Применительно к энергетическим установкам их работоспособность определяется как состояние, при котором они могут нести электрическую и тепловую нагрузки с соответствующими параметрами в указанных в оперативных документах пределах.

Отказом называется потеря работоспособности, т.е. переход в состояние, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Для энергетических установок отказы связаны со снижением располагаемой мощности или параметров электрической и тепловой энергии.

Различают отказы явные и скрытые, полные и частичные. В том случае, когда работа энергетической установки прекращается из-за появления дефектов оборудования, происходит полный явный отказ. Установка полностью теряет работоспособность, причем это событие отражается в оперативной документации.

Если из-за дефектов отдельных агрегатов располагаемая мощность установки снижается ниже мощности, заданной диспетчерским графиком нагрузки, но при этом остается выше минимально допустимой и установка не выводится из работы, то такое событие также фиксируется в оперативной документации. Происходит частичный явный отказ.

В том случае, если вследствие появления дефектов элементов оборудования располагаемая мощность установки снизилась до величины, превышающей в данный момент времени диспетчерскую нагрузку, то такое событие может не фиксироваться, для потребителей электрической и тепловой энергии отказ остается незамеченным. Иногда об этом не подозревают и сами работники, обслуживающие установку. Это случай частичного неявного отказа.

Полный неявный отказ может произойти в том случае, если оборудование находится в резерве, т.е. предполагается, что по указанию диспетчера через определенное время установка может быть загружена до максимально допустимой мощности. Появление дефектов, которые не позволяют включить установку в работу, приводит к полному отказу, но внешне этот дефект может не проявиться. Такие отказы иногда не фиксируются, если устранение дефектов происходит во время нахождения установки в резерве.

Применяющееся в теории надежности понятие «отказ» в практике эксплуатации электрических станций и сетей подразделяется на три термина:

Ø авария;

Ø отказ;

Ø потребительское отключение.

В свою очередь различают отказы 1^ой и 2^ой степеней. Аварии и отказы учитываются и расследуются в МинТопЭнерго.

Внеплановый вывод оборудования из работы или резерва или сброс нагрузки классифицируются по указанным терминам в зависимости от степени нарушения энергоснабжения потребителей, характера повреждения, объема и продолжительности ремонта (посмотреть инструкцию). Повреждения оборудования, происшедшие во время плановых ремонтов, учитываются как аварии или отказы в зависимости от восстановительного ремонта этого оборудования.

Внеплановый вывод из работы оборудования по оперативной заявке для устранения мелких дефектов (набивка сальников, расшлаковка котлов, устранение утечек масла, замена прокладок и т.д.), выявленных при профилактических осмотрах, аварией или отказом не считается, если он не привел к нарушению диспетчерского графика. Он учитывается только в цеховой документации.

По каждому зафиксированному отказу проводится служебное расследование. Основными задачами расследования является:

Ø технически квалифицированное установление причин и виновников нарушений;

Ø разработка организационных и технических мероприятий по восстановлению работоспособности поврежденного оборудования;

Ø разработка мероприятий по предупреждению подобных нарушений в будущем;

Ø разработка мероприятий по повышению ответственности персонала энергопредприятий за выполнение мер, обеспечивающих бесперебойное и надежное энергоснабжение потребителей.

Учет аварий и отказов ведется со дня приемки оборудования и сооружений в эксплуатацию, т.е. со дня подписания акта приемочной комиссией. При этом составляется специальная отчетная карта 2-тех. Случаи повреждения оборудования, выявленные до приемки в эксплуатацию, а также во время плановых ремонтов и испытаний, не включаются в отчетную форму 2-тех, но они обязательно учитываются в цеховой документации и картах отказов. При выходе из планового ремонта учет аварий и отказов для тепломеханического оборудования ведется с начала подъема давления, для турбин и других вращающихся механизмов – с момента выхода на номинальные обороты.

Станционной аварией считается нарушение режима ее работы, вызвавшее:

Ø перерыв электроснабжения потребителей первой категории на время более 20 мин или потребителей второй категории на время более 10 часов;

Ø перерыв в подаче от ТЭЦ технологического пара предприятиям первой категории на срок более 2 часов или предприятиям второй категории на время более 10 часов;

Ø недоотпуск потребителям электроэнергии в количестве более 50000 КВт-ч или теплоты в количестве более 400 Гкал независимо от продолжительности перерыва;

Ø полный сброс электрической нагрузки на ГРЭС с установленной мощностью 500 МВт и выше или электрической и тепловой нагрузки на ТЭЦ с установленной мощностью 100 МВт и выше.

Отказом в работе 1-й степени считается нарушение режима работы электростанции, вызвавшее:

Ø перерыв электроснабжения потребителей второй категории на срок от 1 до 10 часов или потребителей третьей категории на срок более 10 часов;

Ø перерыв в подаче от ТЭЦ технологического пара предприятиям первой категории на срок от 30 мин до 2 часов или предприятиям второй категории на срок от 2 до 10 часов;

Ø недоотпуск потребителям электроэнергии в количестве от 5000 до 50000 КВт-ч или теплоты в количестве от 50 до 400 Гкал независимо от продолжительности перерыва;

Ø полный сброс электрической нагрузки на ГРЭС с установленной мощностью от 100 до 500 МВт или электрической и тепловой нагрузки на ТЭЦ с установленной мощностью от 25 до 100 МВт.

Отказом в работе 2-й степени считается нарушение режима работы электростанции, вызвавшее:

Ø повреждение оборудования, требующего восстановительного ремонта менее 3 суток;

Ø недоотпуск потребителям электроэнергии в количестве от 500 до 5000 КВт-ч или теплоты в количестве от 20 до 50 Гкал независимо от продолжительности перерыва.

Аварии и отказы классифицируются по вине оперативного персонала, если они вызваны неправильными его действиями, нарушениями им правил технической эксплуатации (ПТЭ), техники безопасности (ПТБ), правил взрыво- и пожарной эксплуатации (ПВПБ) или нарушениями производственных инструкций.

По вине ремонтного персонала аварии и отказы классифицируются вследствие некачественного ремонта, неполноценных профилактических осмотров и контроля оборудования, неправильных действий и нарушений правил производства ремонтных работ (РДПР) и требований ПТЭ, ПТБ, ПВПБ.

По вине руководящего персонала аварии и отказы классифицируются вследствие непринятия своевременных мер по устранению аварийных очагов и дефектов оборудования, невыполнения направленных на повышение надежности работы оборудования директивных указаний вышестоящих органов, несвоевременного или проведенного в недостаточном объеме ремонта или профилактического испытания оборудования, невыполнения противоаварийных циркуляров, нарушения ПТЭ, ПТБ, ПВПБ, руководящих указаний по организации работы с персоналом.

Аварии и отказы по вине других организаций классифицируются лишь при наличии достаточного обоснования с участием представителей этих организаций в расследовании. Их причинами могут быть низкокачественное изготовление оборудования, недостатки проектирования, некачественное выполнение строительных, монтажных, ремонтных и наладочных работ, несовершенство и дефектность конструкции.

Аварии и отказы по причине стихийных явлений могут классифицироваться лишь в том случае, когда характеристика этих явлений (толщина гололеда, скорость ветра и т.д.) превышают расчетные значения, предусмотренные проектом или существующими нормами.

Аварии и отказы по причине естественного износа (старение, изменение свойств материалов, усталостные явления, коррозия и др.) могут быть классифицированы лишь в том случае, если они не могли быть предотвращены в процессе эксплуатации.

Все аварии и отказы в работе на электростанциях и сетях регистрируются в картах отказов. В тех случаях, когда произошел останов энергоустановки, составляется акт расследования и отчет об авариях и отказах. В этих документах прилагаются поясняющие технологические схемы, чертежи и фотографии повреждения, ленты регистрирующих приборов, заключения о работе защит и автоматики, результаты металлографических и других исследований.

Заполненные оперативным персоналом карты отказов представляются ежесуточно на рассмотрение руководству предприятия и затем направляются в соответствующие производственные службы.

Каждая авария и отказ в работе, происшедшие на электростанции, должны быть тщательно расследованы. Должны быть установлены причины, виновники и определены конкретные мероприятия по предупреждению аналогичных случаев. Расследование нарушений должно быть начато немедленно после их происшествия и закончено в срок не более 10 дней. Состав комиссии по расследованию регламентируется инструкцией в зависимости от масштаба нарушений. В случае серьезного повреждения оборудования в состав комиссии должны быть включены представители заводов-изготовителей, ремонтных организаций, специалисты по металлографии и расчетам на прочность, представители научно-исследовательских и наладочных организаций.

Карты отказов и акты расследования аварий и отказов направляются трест ОРГРЭС, в котором полученный со всех электростанций материал обобщается. Ежегодно выпускаются сборники по анализу работы и обзору повреждений тепломеханического оборудования.

Лекция 3. описание отказов в виде случайных величин

При анализе надежности работы оборудования существенным является тот факт, что отказ представляет случайное событие. Момент возникновения отказа, т.е. перехода из работоспособного состояния в неработоспособное заранее неизвестен. Именно поэтому возникла и существует проблема надежности. В этом главная специфика и трудность фактического обеспечения надежности. Если бы отказы носили детерминированных характер, проблемы надежности не существовало бы вовсе.

Случайный характер появления отказов определяет и подход к анализу надежности. Для этой цели используется математический аппарат теории вероятностей и математической статистики.

В общем случае случайной величиной называется величина, которая в результате опыта может принять то или иное значение, причем заранее неизвестно, какое именно.

Случайные величины могут быть дискретными, то есть принимать строго фиксированные значения, или непрерывными, принимать любые значения внутри ограниченного или неограниченного интервала. Пример: количество отказов в работе установки в течение года. Здесь случайная величина X – количество отказов, возможные значения х₁=0, х₂=1, х₃=2, …. Каждое из этих значений возможно, но не достоверно. Величина Х может принять каждое из них с некоторой вероятностью. В результате опыта величина Х примет одно из этих значений, то есть произойдет одно из полной группы совместных событий. Обозначим вероятности этих событий

.

Так как несовместные события образуют полную группу, то

(3.1)

Сумма вероятностей всех возможных значений случайной величины равна единице. Эта суммарная вероятность каким-то образом распределена между отдельными значениями. Случайная величина будет полностью описана с вероятностной точки зрения, если зададим ее распределение, то есть укажем, какой вероятностью обладает каждое из событий.

Законом распределения случайной величины называется всякое соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями и соответствующими вероятностями их появления.

Простейшей формой задания закона распределения является таблица, в которой перечисляются возможные значения случайной величины и соответствующие им вероятности.

Такая таблица называется рядом распределения случайной величины. Чтобы придать ряду распределения более наглядный вид, используют графическое представление. По оси абсцисс откладывают возможные значения случайной величины, по оси ординат – вероятности этих значений. Для наглядности полученные точки соединяются отрезками прямых. Такая фигура называется многоугольником распределения.

Представление закона распределения в виде таблицы или многоугольника распределения возможно только для дискретной случайной величины. Для непрерывной величины такой характеристики построить нельзя, поскольку она имеет бесчисленное множество возможных значений, сплошь заполняющих некоторый промежуток. Для количественной характеристики этого распределения используют не вероятность события Х=х₀, а вероятность события Х<x₀., где x₀. – некоторая текущая переменная. Вероятность этого события зависит от x₀. и является функцией от x₀. Эта функция называется функцией распределения случайной величины Х и обозначается F(x).

. (3.2)

Функцию распределения F(x) называют также интегральной функцией распределения или интегральным законом распределения.

Функция распределения – самая универсальная характеристика случайной величины. Она существует для дискретных и непрерывных величин. Функция распределения полностью характеризует случайную величину с вероятностной точки зрения и является одной из форм закона распределения. Основные свойства функции распределения:

1. Функция распределения – неубывающая величина.

При х₂>x₁ F(x₂) ≥ F(x₁).

2. На «минус бесконечности» функция распределения равна нулю.
.

3. На «плюс бесконечности» функция распределения равна единице.

.

Это означает, что случайная величина Х может принимать значение
«-» с вероятностью, равной нулю. Значение случайной величины Х с вероятностью 1 находятся в пределах .

График функции распределения F(x) в общем случае представляет собой график неубывающей функции, значения которой начинаются от 0 и доходят до 1, причем в отдельных точках функция может иметь скачки, то есть разрывы.

Общий вид функции распределения показан на рис.3.1. Функция распределения любой дискретной случайной величины всегда есть разрывная ступенчатая функция, скачки которой всегда происходят в точках, соответствующих возможным значениям случайной величины, и равны вероятностям этих значений. Сумма всех скачков равна единице.

По мере увеличения числа возможных значений и уменьшения интервалов между ними число скачков становится больше, а сами скачки – меньше; ступенчатая кривая становится более плавной. Случайная дискретная величина приближается к непрерывной, а ее функция распределения – к непрерывной функции.

При решении практических задач, связанных со случайными величинами, часто необходимо вычислить вероятность того, что случайная величина будет находиться в интервале . Условимся левый конец неравенства включать в интервал, а правый не включать. Рассмотрим три события: