теплообменники
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России
Теплообменные аппараты ТТАИ

Методика и алгоритм расчета надежности тепловых сетей при разработке схем теплоснабжения городов

Разработаны в ОАО «Газпром промгаз»

Москва, 2013 г.

Разработку выполнили:

Сеннова Е.В. – д.т.н., главный научн. сотр.

Кирюхин С.Н. – к.т.н., зав. лабораторией

Скачать документ в формате pdf http://www.rosteplo.ru/Npb_files/metod_1590.pdf

СОДЕРЖАНИЕ

СОКРАЩЕНИЯ.. 4

ОПРЕДЕЛЕНИЯ.. 5

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1...... Методические положения расчета надежности теплоснабжения потребителей и резервирования тепловых сетей.. 9

1.1. Особенности тепловых сетей и процессов теплоснабжения с позиций расчета надежности.. 9

1.2. Методические положения. 10

1.3. Принятые допущения. 16

2...... Основные расчетные зависимости.. 18

3...... Алгоритм расчета показателей надежности теплоснабжения потребителей.. 24

4...... Обеспечение нормативных требований к надежности теплоснабжения потребителей. Порядок разработки рекомендаций.. 27

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 30

Приложение 1. Перечень используемых переменных. 31

Приложение 2. Основные разделы и положения СНиП 41-02-2003, используемые при расчете надежности теплоснабжения и резервирования тепловых сетей.. 38

Приложение 3. Примеры заполнения форм статистического учета отказов оборудования систем теплоснабжения. 41

Приложение 4. Пример расчета показателей надежности теплоснабжения потребителей нерезервированной тепловой сети от котельной мощностью 4,8 Гкал/ч. 44

Приложение 5. Пример расчета показателей надежности теплоснабжения потребителей тепловой сети с резервированием от ТЭЦ тепловой мощностью 646 Гкал/ч. 56

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 103


СОКРАЩЕНИЯ

1.АВС – аварийно-восстановительная служба;

2.ИТ – источник теплоты;

3.ПН – показатель надежности;

4.СЦТ – система централизованного теплоснабжения;

5 СЗ – секционирующая задвижка;

6.ТС – тепловая сеть;

7.ЗРА – запорно-регулирующая арматура.


ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термин Определение Источник
Надежность Свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования.

Это комплексное свойство, включающее единичные свойства безотказности, восстанавливаемости, долговечности, сохраняемости, живучести и ряд других.
[1, 2, 3]
Система централизованного теплоснабжения Система, состоящая из одного или нескольких ИТ, ТС (независимо от диаметра, числа и протяженности наружных теплопроводов) и потребителей теплоты.

Как объект исследования надежности СЦТ – открытая человеко-машинная производственная система, состоящая из совокупности ИТ, ТС, сетевых сооружений и узлов потребления, и предназначенная для производства, преобразования, передачи, распределения тепла и снабжения им потребителей с разнородной тепловой нагрузкой.
[4]
[2, 3, 5]
Надежность

СЦТ, ТС
Свойство системы (СЦТ, ТС) снабжать потребителей теплотой в необходимом количестве требуемого качества и не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. [2]
Надежность

теплоснабжения
Аспект системной надежности ТС (СЦТ), отражающий требования со стороны потребителей в бесперебойном снабжении тепловой энергией. [2, 3, 5]
Полностью

рабочее

состояние ТС

Рабочее состояние ТС, при котором обеспечивается нормальный режим подачи теплоты всем потребителям. [2]
Частично

рабочее

состояние ТС

Рабочее состояние ТС, при котором теплоснабжение одного или части потребителей ниже расчетного. [2]
Нормальный

режим
Рабочее состояние ТС, при котором обеспечиваются заданные параметры режима работы в установленных пределах. [2]
Послеаварийный режим Режим, который устанавливается в ТС после отключения отказавшего элемента на время его восстановления. [2, 3, 4, 5]
Отказ технологический ТС Вынужденное отключение или ограничение работоспособности оборудования ТС, приведшее к нарушению процесса передачи тепловой энергии потребителям, если оно не содержит признаков аварии. [6]
Отказ функционирования ТС Событие, заключающееся в переходе ТС с одного относительного уровня функционирования на другой, более низкий. [1, 2, 3, 5]
Авария Событие, заключающееся, как правило, во внезапном переходе ТС с одного относительного уровня функционирования на другой, существенно более низкий с крупным нарушением режима работы, разрушением ТС и неконтролируемым выбросом теплоносителя. [3, 6]
Резервирование ТС Способ повышения надежности ТС введением избыточности в схему сети (дополнительные связи) и увеличением диаметров теплопроводов сверх минимально необходимых для снабжения потребителей тепловой энергией в нормальных режимах. [2, 5]
Структурный

элемент
Неделимый при расчете надежности объект.
Элемент линейной части ТС Участок теплопровода между двумя секционирующими задвижками, отключающими его при отказе.
Элемент

оборудования
Запорная и регулирующая арматура, насосные станции и тепловые пункты в целом, баки-аккумуляторы и т.п.
Путь снабжения

потребителя
Последовательность элементов, с помощью которых теплоноситель доставляется от ИТ к узлу потребления.

ВВЕДЕНИЕ

Надежность систем централизованного теплоснабжения определяется структурой, параметрами, степенью резервирования и качеством элементов всех ее подсистем – источников тепловой энергии, тепловых сетей, узлов потребления, систем автоматического регулирования, а также уровнем эксплуатации и строительно-монтажных работ.

В силу ряда как удаленных по времени, так и действующих сейчас причин положение в централизованном теплоснабжении характеризуется неудовлетворительным техническим уровнем и низкой экономической эффективностью систем, изношенностью оборудования, недостаточными надежностью теплоснабжения и уровнем комфорта в зданиях, большими потерями тепловой энергии.

Наиболее ненадежным звеном систем теплоснабжения являются тепловые сети, особенно при их подземной прокладке. Это, в первую очередь, обусловлено низким качеством применяемых ранее конструкций теплопроводов, тепловой изоляции, запорной арматуры, недостаточным уровнем автоматического регулирования процессов передачи, распределения и потребления тепловой энергии, а также все увеличивающимся моральным и физическим старением теплопроводов и оборудования из-за хронического недофинансирования работ по их модернизации и реконструкции. Кроме того, структура тепловых сетей в крупных системах не соответствует их масштабам.

Вместе с тем сфера теплоснабжения в нашей стране имеет высокую социальную и экономическую значимость, поскольку играет ключевую роль в жизнеобеспечении населения и потребляет около 40% первичных топливных ресурсов, более 60% которых составляет природный газ.

В последние годы Правительством страны принимаются меры по устранению негативных тенденций и улучшению положения в тепловом хозяйстве страны.

27 июля 2010 г. вступил в силу Федеральный закон № 190-ФЗ «О теплоснабжении» [7], который первым принципом государственной политики в сфере теплоснабжения определяет «обеспечение надежности теплоснабжения в соответствии с техническими регламентами» (Статья 3).

Закон обязывает развитие систем теплоснабжения населенных пунктов осуществлять на основании разработки схем теплоснабжения. Обязательным критерием принятия решений при этом должно быть обеспечение необходимых санитарно-гигиенических условий и требований к надежности теплоснабжения каждого из потребителей «путем резервирования и достижения бесперебойной работы источников тепла, тепловых сетей и системы в целом» (статья 23).

Разработанные в свете реализации этого закона документы [8, 9] регламентируют надежность теплоснабжения оценивать вероятностными показателями и обеспечивать их удовлетворение нормативным требованиям.

Таким образом, при разработке схем теплоснабжения решается два типа задач, связанных с расчетами надежности:

1. Расчет показателей надежности теплоснабжения потребителей по характеристикам надежности элементов при заданной схеме и параметрах системы (задачи анализа надежности).

2. Выбор (корректировка) схемы и параметров системы в рассматриваемой перспективе ее развития с учетом нормативных требований к надежности теплоснабжения потребителей (задачи синтеза (построения) надежной системы).

Существенную методическую сложность в решение этих задач вносят тепловые сети – нелинейные пространственные сетевые структуры с произвольной топологией, которые в расчетах надежности должны рассматриваться как системы с произвольными монотонными структурами [10], пропускные способности связей которых различны в различных режимах.

Представленные здесь методика и программно-реализуемый алгоритм предназначены для расчета показателей надежности в тепловых сетях систем централизованного теплоснабжения при разработке схем теплоснабжения с целью выбора решений, обеспечивающих нормативные требования к надежности теплоснабжения потребителей на основе резервирования тепловых сетей.

Методическая и нормативная базы, используемые при разработке схем теплоснабжения, создавались в течение длительного времени трудами отечественных ученых, научно-исследовательских институтов, проектных, наладочных и эксплуатационных организаций [2, 3, 11 - 17]. Эти исследования были обобщены и развиты в справочнике «Надежность систем энергетики и их оборудования» под ред. акад. Ю.Н. Руденко [5]. В 4-ом томе этого справочника «Надежность систем теплоснабжения» обоснован методический подход к оценке надежности теплоснабжения и построению систем с требуемым уровнем надежности на основе резервирования ТС. Представленные в справочнике результаты статистической обработки накопленной к тому времени статистики отказов оборудования систем теплоснабжения, а также разработанная система показателей надежности и их нормативных значений, легли в основу регламентов для оценки надежности теплоснабжения, и в частности в СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» [4].

1. Методические положения расчета надежности теплоснабжения потребителей и резервирования тепловых сетей

Объект исследования – тепловые сети систем централизованного теплоснабжения и подключенные к ним узлы потребления тепла.

Цель – расчет показателей надежности теплоснабжения потребителей и обоснование необходимых мероприятий по достижению нормативной надежности теплоснабжения для каждого потребителя.

1.1. Особенности тепловых сетей и процессов теплоснабжения с позиций расчета надежности

Методология решения этих задач определяется технологическими особенностями процессов теплоснабжения и свойствами ТС как объектов исследования надежности. Основными из них являются следующие:

1. Тепловые сети это нелинейные пространственные сетевые структуры с произвольной топологией и большим числом подключенных к ним узлов-потребителей, которые предъявляют различные требования к надежности теплоснабжения. Тепловая нагрузка потребителей разнородна (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение, низкотемпературные технологические процессы) и меняется в течение отопительного периода.

Учитывая социальную значимость надежного функционирования тепловой сети по передаче тепловой энергии рассредоточенным по узлам сети потребителям в соответствии с их индивидуальными требованиями, оценка надежности теплоснабжения каждого потребителя выполняется с помощью узловых показателей.

2. Тепловые сети характеризуются частичными отказами, приводящими к отключению (или снижению уровня теплоснабжения) одного или части потребителей с разными последствиями для каждого из них. Полный отказ системы – чрезвычайно редкое событие.

Интегральные показатели, по которым оценивается надежность системы в целом (например, суммарный часовой или годовой недоотпуск теплоты, средняя производительность системы и т.п.), имеют вспомогательное значение и в задачах синтеза надежных систем не являются информативными.

3. Длительное нарушение теплоснабжения может привести к катастрофическим последствиям, что накладывает ограничения на допустимое время ликвидации отказов. Это время может быть увеличено резервированием тепловой сети, которое позволяет поддерживать некоторый пониженный уровень подачи теплоты потребителям (с некоторым снижением температуры воздуха в зданиях) во время ликвидации аварий и исключает возможное их катастрофическое развитие.

Наряду с повышением надежности конструкций, теплопроводов и оборудования, резервирование тепловой сети является основным способом обеспечения требуемого уровня надежности теплоснабжения, формирующим временной резерв потребителей, который представляет собой время (и частоту) снижения температуры воздуха в здании до нормированного, минимально допустимого значения.

4. Нелинейность гидравлических характеристик тепловых сетей ограничивает возможность эквивалентирования многоконтурных схем, которые не могут быть приведены к последовательно-параллельным и мостиковым структурам. В общем случае в многоконтурных тепловых сетях пропускные способности участков различны в различных режимах. Состояниям системы с отказами элементов кольцевой части сети соответствуют свои уровни расходов теплоносителя, разные у разных потребителей. Эти уровни и вероятности их реализации у каждого потребителя определяются на основе расчетов послеаварийных гидравлических режимов в программных средах геоинформационных систем.

1.2. Методические положения

1. Рассматриваются два уровня теплоснабжения потребителей – расчетный и пониженный (аварийный). В соответствии со СНиП 41-02-2003 (таблица 4 и п. 6.33) пониженный уровень характеризуется подачей потребителям аварийной нормы тепла во время ликвидации отказов в резервируемой части ТС [4].

2. Отказ функционирования, как событие, соответствующее переходу ТС с более высокого на более низкий уровень функционирования, сопровождается снижением температуры воздуха в зданиях потребителя ниже нормированного, минимально допустимого для данного уровня значения. Для расчетного уровня теплоснабжения это граничное значение соответствует расчетной температуре воздуха в здании [22], для пониженного уровня - нормам, установленным п. 4.2 СНиП 41-02-2003 [4].

3. Надежность теплоснабжения оценивается двумя вероятностными и одним детерминированным узловыми показателями, определяемыми за отопительный период для узлов расчетной схемы, к которым подключены потребители.

В связи с тем, что нарушения подачи теплоты на отопление и вентиляцию могут привести к катастрофическим последствиям, а ограничения нагрузки горячего водоснабжения лишь к временному снижению комфорта, показатели рассчитываются для отопительно-вентиляционной нагрузки.

Надежность расчетного уровня теплоснабжения оценивается коэффициентами готовности ПН Значение ПН для потребителя в узле сети 16 а) б) в) г) д) е) 1.3. Принятые допущения

1. Рассматривается марковский стационарный процесс смены состояний ТС с простым пуассоновским распределением потока отказов [18].

2. При восстановлении отказавшего элемента сети отказы других элементов не происходят, поскольку вероятность возникновения нескольких отказов в определенном временном интервале в одной системе в соответствии с законом Пуассона пренебрежимо мала (на три-четыре порядка меньше вероятности возникновения одного отказа).

3. Исходными данными для расчетов показателей надежности теплоснабжения потребителей являются характеристики надежности элементов тепловой сети: интенсивность отказов и среднее время восстановления теплопроводов и оборудования.

Фактический уровень надежности в конкретной системе теплоснабжения должен оцениваться на основе обработки статистических данных об отказах элементов данной системы. Для того, чтобы статистические выборки обладали необходимой однородностью, полнотой и значимостью [19], в каждой системе должен быть организован сбор исходных данных об отказах в соответствии с рекомендованной в [6] формой, пример заполнения которой представлен в Приложении 3. В этом же Приложении 3 приведены примеры заполнения форм с дополнительными эксплуатационными данными оборудования системы теплоснабжения, которые должны использоваться при обработке и анализе статистических данных об отказах элементов данной системы.

4. Если статистические данные по отказам не используются, расчет интенсивности отказов теплопроводов 2. Основные расчетные зависимости

1. Интенсивность отказов элементов ТС

1.1. Интенсивность отказов теплопровода Коэффициент a b c Значение 2.91256074780734 20.8877641154199 -1.87928919400643

Таблица 3. Расстояния между СЗ в метрах и место их расположения

Диаметр

теплопровода,

м

Диаметр не изменяется Диаметр изменяется
ответвлений нет ответвления есть ответвлений нет ответвления есть
до 0,4 1000 непосредственно

за ответвлением,

расстояние до ближайшей СЗ не более 1000 м

непосредственно за местом изменения диаметра, расстояние до ближайшей СЗ не более 1000 м непосредственно за ответвлением, на теплопроводе меньшего диаметра, расстояние до ближайшей СЗ не более 1000 м
от 0,4 до 0,6 1500 непосредственно

за ответвлением, расстояние до ближайшей СЗ не более 1500 м
непосредственно за местом изменения диаметра, расстояние до ближайшей СЗ не более 1000 м непосредственно за ответвлением, на теплопроводе меньшего диаметра, расстояние до ближайшей СЗ не более 1000 м
от 0,6 до 0,9 3000 непосредственно

за ответвлением, расстояние до ближайшей СЗ

не более 3000 м

непосредственно за местом изменения диаметра, расстояние до ближайшей СЗ в соответствии с меньшим диаметром (не более 1000 м, 1500 м) непосредственно за ответвлением, на теплопроводе меньшего диаметра, расстояние до ближайшей СЗ в соответствии с меньшим диаметром

(не более 1000 м, 1500 м)
более 0,9 5000 непосредственно

за ответвлением, расстояние до ближайшей СЗ

не более 5000 м

непосредственно за местом изменения диаметра, расстояние до ближайшей СЗ в соответствии с меньшим диаметром (не более 1000 м, 1500 м, 3000 м) непосредственно за ответвлением, на теплопроводе меньшего диаметра, расстояние до ближайшей СЗ в соответствии с меньшим диаметром (не более 1000 м, 1500 м, 3000 м)

Если в результате анализа выявляется несоответствие принятым условиям, то в расчете среднего времени восстановления количество секционирующих задвижек и расстояние между ними условно принимается равным такому, при котором обеспечивается выполнение этих условий. Установка дополнительных задвижек включается в рекомендации.

3.2. Среднее время до восстановления ЗРА

Время восстановления ЗРА принимается равным времени восстановления теплопровода, так как отказ ЗРА и отказ теплопровода одного и того же диаметра требуют сопоставимых временных затрат на их восстановление. В связи с этим расчет среднего времени до восстановления ЗРА выполняется по выражению (8).


4. Интенсивность восстановления элементов ТС:

3. Алгоритм расчета показателей надежности теплоснабжения потребителей

Блок-схема алгоритма расчета показателей надежности, включающая шесть блоков, приведена на рисунке 2.

В блоке I определяются характеристики надежности элементов тепловой сети: интенсивность и параметр потока отказов, интенсивность и среднее время восстановления. Расчет показателей производится в следующем порядке.

4. Обеспечение нормативных требований к надежности теплоснабжения потребителей. Порядок разработки рекомендаций

Задача состоит в обосновании решений, обеспечивающих выполнение требований СНиП 41-02-2003 к надежности теплоснабжения потребителей.

Доведение показателей надежности теплоснабжения потребителей до нормативных значений и обоснование объема резервирования тепловой сети требуют проведения нескольких этапов расчетов с принятием определенных решений на каждом из них.

Проверка эффективности планируемых к реализации мероприятий по обеспечению надежного теплоснабжения потребителей осуществляется путем моделирования мероприятий, расчета новых значений показателей надежности и их сопоставления с нормативными значениями.

1. На первом этапе выявляются участки сети с высокими значениями параметра потока отказов, и разрабатывается план перекладок (замены) этих участков по отдельной программе.

При несоблюдении рекомендаций СНиП 41-02-2003 (таблица 2) по времени восстановления теплопроводов разрабатываются предложения по его снижению путем повышения технической оснащенности аварийно-восстановительной службы, увеличения численности ремонтного персонала.

Для дальнейших расчетов характеристики надежности элементов принимаются с учетом принятых рекомендаций, поскольку низкий технический уровень тепловой сети недопустимо компенсировать ее резервированием.

2. Рассчитываются новые значения показателей надежности теплоснабжения потребителей при моделировании принятых рекомендаций по улучшению характеристик надежности элементов ТС.

3. Новые значения показателей сравниваются с нормативными значениями, т.е. снова проверяется выполнение условий (1) – (3).

4. Если нормативные значения не достигнуты, разрабатываются рекомендации по повышению надежности, состав которых зависит от того, какие из условий (1) – (3) нарушаются (рисунок 3).

5. Если при выполнении условий (1) не выполняются все или часть условий (2), состав мероприятий включает:

− введение или увеличение объема резервирования сети путем устройства аварийных перемычек;

− снижение времени восстановления теплоснабжения после отказов;

− секционирование сети;

− увеличение диаметров теплопроводов;

− увеличение располагаемого напора на коллекторах источника.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложения приведены в файле архив.zip по ссылке

http://www.rosteplo.ru/Npb_files/metod_1590.zip (Методика с приложениями)

http://www.rosteplo.ru/Npb_files/metod_1590.pdf (Методика с приложениями)

Приложение 1. Перечень используемых переменных

Приложение 2. Основные разделы и положения СНиП 41-02-2003, используемые при расчете надежности теплоснабжения и резервирования тепловых сетей

Приложение 3. Примеры заполнения форм статистического учета отказов оборудования систем теплоснабжения

Приложение 4. Пример расчета показателей надежности теплоснабжения потребителей нерезервированной тепловой сети от котельной мощностью 4,8 Гкал/ч

Приложение 5. Пример расчета показателей надежности теплоснабжения потребителей тепловой сети с резервированием от ТЭЦ тепловой мощностью 646 Гкал/ч

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие докумены

Примечание для пользователей нормативными документами, размещенных в различных разделах сайта:
В связи с тем, что на нашем сайте размещены не официальные редакции текстов нормативных документов, при решении юридических вопросов необходимо обращаться к официально публикуемым документам и изменениям в них по состоянию на момент принятия решений.

Программы Auditor
Авторские права на размещенные материалы принадлежат авторам
Возрастная категория Интернет-сайта "18+"
© РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению, 2003-2018
О проекте | Карта портала | Реклама на РосТепло.ru |