Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблемы надежности систем теплоснабжения 12
1.1. Основные направления развития и повышения надежности теплоснабжающих систем городов 12
1.2. Характеристика теплоснабжающих систем как объекта управления надежностью. 19
1.3. Классификация факторов, определяющих надежность теплоснабжения. 28
1.4. Проблемы и задачи технико-экономических исследований надежности теплоснабжающих систем 41
Глава II. Основные принципы оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов .. 51
2.1. Системный подход к оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов ... 51
2.2. Критерий оптимизации надежности теплоснабжающей системы. 55
2.3. Методические подходы к определению нормированной системной надежности и оценке экономической эффективности мероприятий по повышению надежности теплоснабжения 59
2.4. Возможности функционально-стоимостного анализа при оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов 73
Глава III. Учет фактора надежности в технико-экономических расчетах по выбору вариантов схем теплоснабжения ... 82
3.1. Особенности системного подхода при расчетах сравнительной экономической эффективности вариантов схем теплоснабжения 82
3.2. Принципы учета фактора надежности при определении технико-экономических показателей вариантов схем теплоснабжения 89
3.3, Технико-экономическая оценка вариантов схем тепло снабжения с учетом фактора надежности... 96
Заключение 107
Литература 110
Приложения 123
- Основные направления развития и повышения надежности теплоснабжающих систем городов
- Системный подход к оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов
- Возможности функционально-стоимостного анализа при оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов
- Особенности системного подхода при расчетах сравнительной экономической эффективности вариантов схем теплоснабжения
Основные направления развития и повышения надежности теплоснабжающих систем городов
Планомерное развитие народного хозяйства СССР сопровождается ускоренным ростом и концентрацией геплопотребления, определяющих общие масштабы развития и структуру теплоснабжающих систем,
В настоящее время и на перспективу в потреблении тепла наиболее характерными являются следующие тенденции /129, с.145/: - дальнейшее повышение удельного веса городов и поселков городского типа в общем теплоготреблении; за последнее десятилетие он возрос с 78 до 81%; - рост концентрации тепловых нагрузок: за предыдущее десятилетие доля городов с тепловой нагрузкой более 500 Гкал/ч в общем теплопотреблении городов и ПГТ возросла с 60 до 70%; - стабилизация структуры теплопотребления: доля технологического потребления составляет 35-40%; отопления и вентиляции -50-55%,а бытового горячего водоснабжения - 10%; - существенная сезонная неравномерность теплопотребления, определяемая высокой долей отопления и вентиляции (около 70%) в расчетном максимуме тепловой нагрузки; Ожидаемое увеличение концентрации тепловых нагрузок создает предпосылки для дальнейшего развития централизованного теплоснабжения городові В настоящее время более 50% теплопотребления удовлетворяется от высокоэкономичных источников (ТЭЦ - 34%, ВЭР - 6%, крупные котельные - 11%), несколько менее половины (49%) нагрузки покрывается децентрализованными источниками, которые длительное время еще будут играть существенную роль / 70 / Две трети установленной мощности ТЭЦ состоят из турбоустановок на начальные парамет - ІЗ ры ІЗ и 24 Ша единичной мощностью от 50 до 250 МВт / 79 / Дополнительным, достаточно экономичным источником теплоты, как показывают расчеты, могут явиться реконструируемые блоки ГРЭС и КЭС /3/. Широкое развитие получит теплофикация на базе ядерных источников в Европейской части страны / 87/ Основные принципы использования атомных источников теплоты (АЙТ) в крупных территориальных формированиях изложены в /її/, /l2/, /l7/, /54/, /7l/, /72/, /П9/, /129/.
Оптимальная концентрация тепловой мощности АТЭЦ может превысить 6-8 ГДж/ч /l7/. С помощью такого теплоисточника может уже решаться проблема теплоснабжения не отдельного города, а целой промышленно-городской агломерации, которых уже сейчас насчитывается более 250 /17/.
Вышеуказанные тенденции роста концентрации, единичной мощности агрегатов станции повышают требования к надежности теплоснабжения от всех видов источников теплоты. Наиболее узким местом в части надежности является транспорт тепла.
Надежность и экономичность транспорта в значительной степени (тепла) зависят от эффективной и качественной изоляции. Поиски эффективных теплоизоляционных материалов ведутся непрерывно; Применяемые теплоизоляционные материалы не в полной,мере удовлетворяют высоким требованиям,. предъявляемым трудными условиями работы (высокие влажность и температура). Нанесение изоляции, особеннс на трубопроводы больших диаметров, выполняется во время строительства непосредственно на трассе, что не гарантирует высокого качества производства работ, требует больших трудозатрат и удлиняет сроки строительства.
В_СССР проведены значительные научно-исследовательские и конструкторские работы в области совершенствования подземных тепло - 14 проводов. Широко применяется конструкция теплопроводов в монолитных оболочках и армопенобетона, накладываемых на трубопроводы в заводских условиях и применяется как в бесканальных теплопроводах, так и в каналах. Разработана и внедряется в практику техног логия нанесения на армопенобетонную оболочку монолитной гидроизоляции из битуморезиновой мастики, армированной стеклотканью, что повысит надежность работы этих теплопроводов в подземных условиях.
Создана конструкция бесканального теплопровода с оболочками из асфальтокерамзитобетона. Основные преимущества этой конструкции - высокая механическая прочность, гидрофобность и удовлетворительная термостойкость. Необходимо освоить технологический процесс индустриального изготовления этих оболочек; Разработана индустриальная конструкция теплопровода в монолитных оболочках из ячеистого фенольного поропласта. Конструкция получила применение в Ленинграде при диаметре теплопроводов 400 мм. Преимуществом ее является простая технология изготовления, недостатком - большое влагопоглощение материала оболочки / 23 /
Разработаны конструкции бесканальных теплопроводов с монолитными оболочками на битумном вяжущем (битумоперлит, битумокерам-зит и др;) для трубопроводов диаметром до 400 мм. Построены заводы для изготовления теплопроводов с оболочками на битумном вяжущем; Преимуществом этой конструкции является технологичность материала, облегчающая индустриализацию процесса изготовления ободочек, К недостаткам относятся низкая стойкость (термо) изоляционных оболочек, высокое влагопоглощение, неравномерные плотность и гомогенность битумоперлитной массы в оболочках, что способствует коррозии наружной поверхности стальных трубопроводов. Разработаны методы улучшения качества изоляционных оболочек путем введения в состав пассивирующих добавок. Необходима опытно-промышленная проверка этих методов.
Системный подход к оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов
Как было показано в предыдущей главе,теплоснабжающая система относится к большим и сложным системам. Методологической основой технико-экономического анализа проблем развития тепло-снабжающих систем с учетом надежности должен быть системный подход, предполагающий членение больших тепло снабжающих систем городов на ряд иерархически функционирующих подсистем, имеющих между собой вертикальные и.горизонтальные взаимодействия.
Иерархическая структура теплоснабжающих систем позволяет более полно учесть влияние входных и выходных характеристик проектируемой системы, так как выход рассматриваемой подсистемы является входом другой, а её вход является выходом третьей и т.п.
Большие теплоснабжающие системы городов настолько сложны , что нельзя одновременно количественно точно соизмерить все их энергетические характеристики. Поэтому для изучения таких систем, их описания и моделирования используется метод декомпозиции /72, с. 238/ - расчленение сложной системы на подсистемы или расчленение общей задачи описания данной системы (с целью оптимального управления её надежностью) на подзадачи, их независимое решение " с последующей итеративной увязкой решения получаемых результатов.
.Различия отдельных локальных микрорайонов по условиям трассировки и прокладки сетей, плотности нагрузок, наличию местных производственно-отопительных котельных и источников ВЭР, рые могут быть использованы как резервные, обусловливает многообразие задач по определению оптимальной надежности на всех иерэ хическі їх уровнях и в каждом конкретном районе. Рациональная структура теплоснабжающих систем должна представлять собой оптимальное сочетание как централизованных, так и децентрализованных источников теплоты.
Независимо от масштаба теплоснабжающей системы при исследовании надежности может быть применен метод декомпозиции по функциональному признаку: подсистемы топливоснабжения, производства теплоты, магистрального и распределительного транспорта, потребительских установок.
Глубокое изучение производственных систем с целью создания обоснованной концепции их развития требует, как отмечает академик Иелентьев Л.А. /72/, выявления природы, сущности и формы проявления общих и отличительных свойств исследуемой системы. К числу основных свойств теплоснабжающей системы относятся: надежность экономичность, маневренность, адаптивность, гибкость, экономическая стабильность, тепловая инерционность. С одной стороны,все эти свойства отображают разные стороны качества функционирования системы, а с другой - изменение каждого из них связано с соответствующими затратами.
Ввиду высокой социальной значимости функции теплоснабжения, надежность является одним из важнейших свойств теплоснабжающих систем.
Высокие требования к надекносіи вытекают из недопустимости нанесения вреда здоровью людей. В правильно запроектированной теплоснабжающей системе вероятность перерывов теплоснабжения, опасных для населения должна быть практически исключена. Это требование должно учитываться как важнейшее при нормировании надеж - 53 -ности и определении затрат в соответствующие мероприятия.
Свойство тепловой инерционности системы теплоснабжения оказывает существенное влияние на затраты в надежность в системе. Тепловой инерцией, связанной со способностью аккумулирования энергии, обладают все элементы систеыы, но в разной мере. Инерци онность тепловых сетей, теплоисточников и абонентских приборов определяется количеством циркулируеыого в них теплоносителя, а инерционность отапливаемых зданий теплоаккумулирующей способностью их массы.
Высокая тепловая инерционность оборудования, сетей и, особенно, отапливаемых здании позволяет допускать кратковременные перерывы теплоснабжения и понижение количества подаваемого теплоносителя в течение достаточно длительного времени.
Однако отказом, приводящим к ущербу у потребителя, это считать нельзя, так как температуре отапливаемых помещений при этом не снижается ниже допустимого безопасного для здоровья людей уровня.
Из этого важного положения вытекает нецелесообразность учета экономических ущербов практически у всех потребителей, теплоты при правильно запроектированной теплоснабжающей системе. Возможность отказа от понятия ущерба и у производственных потребителей для широко распространенных систем со смешанной нагрузкой определяется тем, что теплоснабжающая система работает с большим резервом тепловой мощности практически почти весь год, исключая короткий холодный период с расчетными температурами наружного воздуха. Поэтому, вероятность перерывов снабжения теплоты производственных потребителей весьма мала, так как она равна произведению вероятности выхода котлоагрегата на удельный вес периода с расчетными и близкими к ним температурами.
Возможности функционально-стоимостного анализа при оптимизации надежности теплоснабжающих систем городов
Теплоснабжающие системы городов относятся к сложным развивающимся во времени объектам, в проектировании которых участвуют различные специалисты. Отсутствие должной координации между проектировщиками источников теплоты сетей, автоматических систем защиты и потребительских установок приводит к неоптимальным показателям надежности теплоснабжения в целом.
Понятие надежности должно устанавливаться с точки зрения получения высоких конечных результатов, а, следовательно, потребителя; Потребителям безразлично за счет чего достигается повышение бесперебойности и качества теплоснабжения, в какой из подсистем- и элементов проводятся мероприятия по повышению надежности. Это создает условия для получения оптимальной системной надежности;
Для оптимизации надежности сложных развивающихся систем эффективно применить так называемый функционально-стоимостной анализ (ФСА); Особенностью ФСА является ориентация на высокие конечные результаты, четкая постановка проблемы, комплексный системный подход, глубина анализа и поиск, резервов;
Возросшие в несколько раз концентрации мощности источника теплоты повысили потенциальную возможность возникновения аварий, их масштабности и тяжести, продолжительность времени восстановления элементов теплоснабжающей системы после аварий.
Для предотвращения аварий проектируются многочисленные защиты, многоуровневые системы управления защитами. (СУЗ), в которых применяется двух- и трехкратное резервирование защиты. Так в парагене-раторах надежность питания водой обеспечивают персонал, автоматика питания, защита от упуска воды.
Надежность функции горения - персонал, автоматика подачи топлива - воздух, защита от погасания факела, падение давления газа, прекращение электроснабжения и т;п;
Особенно возросли требования к надежности ядерных энергоустановок; Ввиду малого опыта их эксплуатации предварительно, в соответствии с /47/, должен быть выполнен вероятностный расчет показателей радиационной безопасности; Показатели надежности устройстЕ безопасности должны быть приведены в соответствие с требованиями обеспечения безопасности АЭС; В этом случае изменение уровня надежности узлов блока не должно влиять на уровень его безопасности, и затраты на узлы, обеспечивающие безопасность, остаются постоянными;
Отличительной чертой первых.систем автоматики была максимальная, централизация функций контроля, управления и защит с помощью ЭВМ; Однако полная центражзация функций встретила большие технические трудности технического порядка, связанные в основном с недостаточной надежностью самих ЭВМ:,отказ машины вел к потере всех функций контроля и управления /88/;
На наш взгляд, этого можно было бы избежать, если при проек - 75 тировании все.оборудование энергоблока разбить на ряд функциональных групп; С технологической точки зрения функциональная группа представляет собой узел основного оборудования со всеми относящимися к нему механизмами собственных нужд, арматурой, приборами контроля и устройствами сигнализации (например, узел питательных насосов, углеразмольная мельница и т.д.); Каждая группа оборудования оснащается независимой жестко запрограммированной местной системой управления, выполняющей логические операции, функции рег;улирования, контроля и защиты. Совокупность всех местных систем обеспечивает автоматизацию энергоблока в целом;
Такая структура системы управления по сравнению с полностью централизованной имеет ряд преимуществ, основным из которых является большая надежность; Местные системы управления могут работать независимо друг от друга, поэтому отказ одной из них не влияет на работоспособность других и приводит к потере.автоматического управления только в одной функциональной группе; они могут вводиться в эксплуатацию не одновременно, а последовательно, по мере подготовки основного оборудования к автоматизации,
С точки зрения системного подхода функциональная группа может быть разбита на иерархические уровни. Нижнюю иерархическую ступень образуют исполнительные устройства защиты по таким функциям как: пуск, с выводом на заданный режим, и останов агрегата; контроль и поддержание установленных технических параметров процессов; выполнение защитных функций в предаварийных ситуациях; сигнализацию выполнения операций при пуске и аварийном отклонении параметров рабочих и пусковых режимов.
Во вторую иерархическую ступень входят защиты, управляющие несколькими исполнительными устройствами данной функциональной группы; На этой ступени должны выполняться простые блокировки;
На верхнем иерархическом уровне функционируют системы управления защитами, координирующие действия функциональных групп. Система управления в целом производит регулирование и защиту блока в широком диапазоне нагрузок, пуски блока из различных состояний и остановы блока.
Такой подход предложен авторами в /80/ применительно к автоматизированным котельным; Котельная установка относится к разряду сложных многофункциональных систем, состоящих из большого числа подсистем и элементов; Поэтому анализ причин отказов элементов, сбор и обработку статистической информации, установление закона распределения отказов, времени простоев в ремонте целесообразно проводить по выполняемым системами автоматики функциям: питания, горения, контроля и регулирования, защиты;
Применительно к сложным структурным схемам функционально-стоимостной анализ способствует выявлению причин низкой надежности элементов и. системы в целом. Так, анализ причин выходов из строя автоматики паровых котлов "Кристалл" показал, что 85% отказов приходится на гидравлический исполнительный механизм (ПІМ), Выполнение этой же функции электрическими механизмами позволяет снизить интенсивность отказов автоматики в 5-6 раз /81/,
Особенности системного подхода при расчетах сравнительной экономической эффективности вариантов схем теплоснабжения
Надежность теплоснабжения является необходимым условием для решения основной задачи, предъявляемой к производственным системам, - обеспечение их экономической эффективности Л 85, с.79_/. Поэтому экономический вопрос о выборе направлений затрат в надежность, как элемента затрат в схему теплоснабжения, становится предметом технико-экономических расчетов по выбору наиболее эффективных путей функционирования и развития теплоснабжающих систем городов. При этом необходимо правильно оценить все технологические и экономические последствия осуществления каждого варианта развития системы, так как они могут быть связаны с возникновением дополнительных затрат на других объектах и в других отраслях.
Б настоящее время критерием экономической эффективности сравнения вариантов развития теплоснабжающих систем выступает показатель приведенных затрат 51_/.
Применение данного показателя справедливо при соблюдении "правила тождества эффекта" и надежность теплоснабжения рассматривается, как способность 85, с.79_/ объекта обеспечивать выдаваемую мощность и энергию в установленном объеме.
Расчеты сравнительной экономической эффективности имеют специфические особенности в отличие от задач определения абсолютных технико-экономических показателей схем теплоснабжения. Это связано с тем, что здесь главная задача заключается в выявлении технико-экономических различий между вариантами. Поэтому элементы и связанные с ними затраты, не различающие по вариантам, не имеют существенного значения для выявления различий между вариантами и без ущерба для конечного результата могут быть исключены из анализа.
В сравнительных технико-экономических расчетах важным условие ем является приведение вариантов к сопоставимому виду.
Основными требованиями сопоставимости являются:
1. Все сравниваемые варианты должны быть поставлены в оптимальные для них условия, при которых в каждом варианте схемы теплоснабжения реализуются в одинаковой мере достижения научно-технического прогресса в области создания новой современной энергетической техники. Расчеты должны вестись при оптимальных режимах работы элементов и всей системы в целом, в единых ценах, сопоставимых сроках времени затрат и получения эффекта.
2. Приведение вариантов к одинаковому энергетическому эффекту через уравнивание по полезному отпуску энергии и мощности. При зтої важно обеспечить равную надежность и одинаковое качество теплоснабжения, сопоставимость других сходных условий.
3. Необходимость соблюдения системного подхода к оценке затрат и результатов предполагает учет максимального числа влияющих факторов во всех взаимосвязанных звеньях теплоснабжающей системы.
С точки зрения сравнительных технико-экономических расчетов по обеспечению учета фактора надежности при определении технико-экономических показателей сравниваемых вариантов наиболее существенными являются приведение к равной надежности, выпуску продукции -и экономической сопоставимости.
Инструкцией по технико-экономическим расчетам в энергетике сопоставление взаимозаменяемых вариантов рекомендуется осуществлять при одинаковой степени надежности энергоснабжения / 51 _/.
Однако на современном уровне технико-экономических расчетов количественной оценке часто поддаются далеко не все преимущества и недостатки сравниваемых вариантов.
Поэтому несмотря на то, что существуют некоторые способы определения надежности технических систем, требуется дальнейшая разработка учета фактора надежности в технико-экономических расчетах по выбору варианта развития теплоснабжающих систем.
Элементы, обеспечивающие надежность функционирования,образуюз подсистему надежности, являющуюся частью теплоснабжающей системы. Поскольку функция подсистемы заключается в поддержании работоспособного состояния системы, то и затраты, связанные с надежностью в сравниваемых вариантах, должны рассматриваться как элемент общих затрат наравне с другими затратами по вариантам теплоснабжающей системы.
Для реализации требования приведения каждого из сравниваемых вариантов к оптимальным условиям необходимо, чтобы набор мероприятий по доведению надежности теплоснабжения до заданного уровня обеспечивал минимальные приведенные затраты для проведения специальных вычислительных процедур по отбору наиболее эффективных мероприятий по выбранному критерию.
Из требования системного (комплексного) подхода вытекает необходимость наиболее полного охвата в сравниваемых вариантах элементов и факторов.
Однако при сравнительных расчетах для соблюдения условия сопоставимости достаточно учитывать только существенные различия между вариантами по отдельным факторам и элементам.
Эти особенности должны учитываться при разработке методических принципов учета фактора надежности в технико-экономических расчетах показателей сравниваемых вариантов развития схем теплоснабжения городов.
Технический прогресс привел к появлению новых источников теплоты, усложнению структуры теплоснабжающих систем, следствием чего явилось усиление внутренних и внешних связей. Резко возросло количество альтернативных вариантов [_ 90_/«
Характеристика современного набора конкурирующих вариантов схем теплоснабжения городов приведена в таблице 2 Варианты различаются уровнем централизации теплоснабжения, схемами совместной работы централизованных и децентрализованных источников, показателями надежности и др. В качестве конкурирующих установок рассматриваются не только крупные централизованные источники (АТЭЦ, ACT, ТЭЦ, районные котельные), но и варианты малой централизации на базе групповых котельных, объединения котельных электрическими связями, трубопроводами.
При решении задачи оптимизации надежности системы теплоснабжения городов может быть использован метод декомпозиции по признаку экономически оптимального радиуса теплоснабжения / 90_У»
