Определение надежности теплоэнергетических установок

Характерной отличительной особенностью теплоэнергетического оборудования, тепловых и электрических станций от производственных предприятий других отраслей промышленности является требование обеспечения непрерывного баланса «выработка тепловой и электрической энергии – и их потребление». 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.

Надежность является важнейшей технической характеристикой качества объекта. Надежность как свойство изделий оценивается вероятностными характеристиками, основанными на статистической обработке экспериментальных данных. Однако вероятностные методы определения показателей надежности позволяют вполне определенно и достаточно хорошо оценивать надежность работы машин и других технических изделий. По мере технического прогресса наблюдается усложнение технических изделий. Основное противоречие в развитии современной техники заключается в том, что если не предпринимать необходимые меры по повышению надежности, то чем сложнее, быстрее и точнее работа техники, тем менее она надежна. Отсюда следует, что решение проблемы надежности является не только важной технической, но и большой экономической задачей.

Сложность получения количественной оценки надежности исследуемого изделия состоит в том, что это свойство изделий обычно направлено в их будущее существование, т.е. оно «развернуто во времени» предстоящей эксплуатации, условия которой разнообразны и мало предсказуемы. Иначе говоря, характеристики надежности носят по отношению к каждому конкретному изделию вероятностный, прогнозный характер.

Как известно, 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, и 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.

1.2. Составляющие понятия теории надежности

Определение понятия надежность в ГОСТ 27.002-83, ГОСТ Р 53480-2009, ГОСТ 27.002-2015и других, более поздних руководящих документах, содержит примечание: Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний следующих свойств:

- безотказности;

- долговечности;

- ремонтопригодности;

- 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.

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.

В зависимости от возможности дальнейшего применения объекта, изделия классифицируются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемое изделие – изделие, которое может быть восстановлено потребителем, т.е. изделие, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Невосстанавливаемое изделие – изделие, которое не может быть восстановлено потребителем и подлежит замене.

Ремонтируемый объект – объект, ремонт которого возможен и предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Неремонтируемый объект – объект, ремонт которого невозможен или не предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

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.

В каждом конкретном случае оценки или задания надежности изделия следует пользоваться теми сторонами и видами надежности, которые необходимы для характеристик надежности объекта с учетом его целевого назначения.

В прикладной теории надежности в понятие надежности могут включаться дополнительные свойства. Так, для характеристики надежности объектов, являющихся потенциальным источником опасности, используются свойства безопасности, живучести и устойчивости.

Безопасность – свойство, в случае нарушения работоспособного состояния, не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды.

Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации.

Устойчивостью признаков качества объекта или технологического процесса называют свойства объекта или процесса сохранять точность этих признаков во времени.Особенно это касается объектов, являющихся потенциальным источником опасности, к которым следует относить и электроэнергетические объекты.

Предельное состояние объекта – это состояние, при котором его дальнейшее применение недопустимо по условиям безопасности либо 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 не оправдано. В новой редакции предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна по причинам опасности, экономическим или экологическим.

Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях:

- при неустранимом нарушении безопасности;

- при неустранимом отклонении величин заданных параметров;

- при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других – определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.

Именно в связи с этим объекты могут быть:

невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа, не подлежит восстановлению;

восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например, подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т.п.

Объекты, состоящие из многих элементов, например, станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены.

В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

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.

 

Рис.1.1. График работы ТЭС:

ППР – планово-предупредительный ремонт;

НР – неплановый ремонт

 

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 составляющие: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. В противном случае будем оговаривать, о какой составляющей идет речь.

Сводный перечень показателей надежности приведен в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

Номенклатура показателей надежности

Свойство надежности	Наименование показателя	Обознач.
Единичные показатели
Безотказность	Вероятность безотказной работы	P(t)
	Интенсивность отказов	λ(t)
	Средняя наработка на отказ	To
	Средняя наработка до отказа	Tcp
	Средняя наработка между отказами	T
Долговечность	Средний ресурс	Tp
	Гамма-процентный ресурс	Tрγ
	Назначенный ресурс	Tр.н
	Установленный ресурс	Tр.у
	Средний срок службы	Tсл
	Гамма-процентный срок службы	Tслγ
	Назначенный срок службы	Tсл.н
	Установленный срок службы	Tсл.у
Сохраняемость	Средний срок сохраняемости	Tc
	Гамма-процентный срок сохраняемости	Tcγ
	Назначенный срок хранения	Tс.н
	Установленный срок сохраняемости	Tс.у
Ремонтопригодность	Среднее время восстановления	Tв
	Вероятность восстановления	Pв(t)
Комплексные показатели
Комбинация свойств	Коэффициент готовности	Kг
	Коэффициент технического использования	Kт.и
	Коэффициент оперативной готовности	Kо.г