Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ эксплуатационной надежности и эффективности существующей системы ремонтов электрооборудования 18
1.1. Исследования в области обеспечения надёжности электрооборудования 18
1.2. Оценка показателей эксплуатационной надёжности электрооборудования электростанций и подстанций 24
1.3. Анализ существующей системы ремонта электрооборудования электростанций и подстанций 41
1.4. Обоснование необходимости совершенствования системы планово-предупредительного ремонта 45
1.5. Методы диагностирования электрооборудования 51
1.6. Основные принципы организации системы ремонтов 63
1.7. Выводы по первой главе 69
ГЛАВА 2. Разработка методов и моделей определения эксплуатационной надежности электрооборудования с учетом технического состояния 71
2.1. Постановка задачи 71
2.2. Сбор и обработка информации для оценки технического состояния и прогнозирования надежности электрооборудования 74
2.3. Обобщенная модель расхода ресурса электрооборудования с учетом действия эксплуатационных факторов 79
2.4. Разработка обобщенной модели определения эксплуатационной надёжности электрооборудования с учётом основных воздействующих факторов 97
2.5. Разработка и исследование модели прогнозирования надёжности для различных типов электрооборудования с учетом технического состояния на примере высоковольтных электродвигателей 99
2.6. Расчет надежности и стратегия профилактики электрооборудования 111
2.7. Исследование влияния неопределенности информации о техническом состоянии электрооборудования на точность определения показателей эксплуатационной надёжности и периодичности ремонтов 118
2.8. Оценка ремонтопригодности электрооборудования с учетом результатов диагностирования 127
2.9. Выводы по второй главе 143
ГЛАВА 3. Методы и математические модели принятия решений по совершенствованию системы ремонтов электрооборудования с учетом технического состояния 147
3.1. Постановка задачи определения оптимальной периодичности и объёма ремонтных работ 147
3.2. Математические модели формализации затрат для различных стратегий организации ремонта электрооборудования Классификация стратегий ТОиР 153
3.3. Расчет оптимальной продолжительности межремонтного периода для различных стратегий и видов электрооборудования 164
3.4. Методика определения объёма ремонтных работ с учетом технического состояния 172
3.5. Методика выбора рациональной стратегии ремонтов электрооборудования 185
3.6. Выводы по третьей главе 192
ГЛАВА 4. Методы и модели планирования ремонтов электрооборудования с учетом технического состояния 194
4.1. Общая характеристика задачи планирования технического обслуживания и ремонта электрооборудования 194
4.2. Оперативное управление техническим состоянием электрооборудования... 198
4.3. Разработка матричного метода управления процессом эксплуатации электрооборудования с учетом технического состояния 204
4.4. Метод и математическая модель формирования плана-графика работ по техническому обслуживанию электрооборудования с учетом результатов диагностирования 214
4.5. Метод и математическая модель формирования плана-графика текущих ремонтов электрооборудования с учетом результатов диагностирования 217
4.6. Разработка автоматизированной системы обеспечения
ремонтов энергообъекта 230
4.7. Выводы по четвертой главе 240
ГЛАВА 5. Разработка методов принятия обоснованных решений по сверхнормативной эксплуатации электрооборудования и выбору форм проведения ремонтов с учетом технического состояния 247
5.1. Разработка методики принятия решений по замене электрооборудования или продлению его срока службы 248
5.2. Определение предельных сроков продления эксплуатации для электрооборудования различных типов и классов напряжения 260
5.3. Оценка погрешности принимаемых решений и чувствительности математической модели определения предельного срока эксплуатации электрооборудования к изменению точности задания параметров исходных данных 265
5.4. Разработка схемы принятия решений по определению очередности технического перевооружения энергообъектов 274
5.5. Разработка методики оптимизации распределения объемов работ между собственным и привлеченным ремонтным персоналом при выборе форм проведения ремонтов с учетом технического состояния 293
5.6. Выводы по пятой главе 316
Заключение 319
Библиографический список
- Исследования в области обеспечения надёжности электрооборудования
- Сбор и обработка информации для оценки технического состояния и прогнозирования надежности электрооборудования
- Постановка задачи определения оптимальной периодичности и объёма ремонтных работ
- Общая характеристика задачи планирования технического обслуживания и ремонта электрооборудования
Введение к работе
Эффективность и надежность функционирования электротехнического оборудования электростанций, подстанций, промышленных предприятий, электрических сетей и систем (в дальнейшем объектов энергетики) зависит от его технического состояния. Современное электротехническое оборудование имеет достаточно высокие расчетные показатели надежности. Однако в процессе эксплуатации под воздействием различных факторов, условий и режимов работы исходное состояние оборудования непрерывно ухудшается, снижается эксплуатационная надежность и увеличивается опасность возникновения отказов. Надежность электрооборудования зависит не только от качества изготовления, но и от научно обоснованной эксплуатации, правильного технического обслуживания и своевременного ремонта. В основе процесса эксплуатации электрооборудования лежат последовательные во времени смены состояний работы, резерва, ремонта, технического обслуживания, хранения и т. п.
В настоящее время в электроэнергетике для ведения производственной эксплуатации и поддержания технического состояния оборудования в соответствии с требованиями нормативно-технической документации [1, 2, 3, 4, 5] применяют систему планово-предупредительного ремонта (ППР). Основным технико-экономическим критерием системы ППР служит минимум простоев оборудования на основе жесткой регламентации ремонтных циклов. В соответствии с этим критерием периодичность и объем работ по техническому обслуживанию и ремонту определяются заранее установленными для всех видов оборудования типовыми нормативами. Такой подход предупреждает прогрессирующий износ оборудования и уменьшает внезапность выхода его из строя. Система ППР дает возможность подготовить управляемую и прогнозируемую на длительный период ремонтную программу: по видам ремонтов, типам оборудования, электростанциям и отрасли в целом. Постоянство ремонтных циклов позволяет осуществлять долгосрочное планирование выработки энергии, а также прогнозировать материальные, финансовые и трудовые ресурсы, необходимые капитальные вложения в развитие производственной базы энергоремонта. Это упрощает планирование профилактических мероприятий, позволяет осуществить предварительную подготовку ремонтных ра бот, выполнять их в минимальные сроки, повышает качество ремонта и в конечном итоге увеличивает надежность энергоснабжения потребителей. Таким образом, система ППР предназначена для обеспечения надежности энергетического оборудования в условиях жесткого централизованного планирования и управления, стабильной загрузки генерирующих мощностей при минимальном их резерве. В новых экономических условиях система ППР не обеспечивает во многих случаях принятие оптимальных решений. Это объясняется следующими причинами и обстоятельствами:
• назначение профилактических работ осуществляется по регламенту и не зависит от фактического состояния оборудования к моменту начала ремонта;
• планы-графики профилактических работ не устанавливают приоритета вывода в ремонт различных видов электрооборудования;
• при составлении планов-графиков не учитывается ряд ограничений (технологических, материальных, временных, трудовых), а также не предусматривается их оптимизация с позиции рационального управления состояниями процесса эксплуатации и более полного расходования ресурса каждой единицы электрооборудования.
Кроме того, система ППР имеет большую трудоемкость профилактических работ. Пропорционально росту количества электрооборудования повышается и общая трудоемкость ремонтных работ, что требует значительного увеличения численности ремонтного персонала. При проведении профилактических работ через полученные статистическим путем усредненные периоды, даже при наличии поправочных коэффициентов на условия и режимы эксплуатации, без точного определения технического состояния нельзя гарантировать, что в межремонтный период не будут возникать отказы электрооборудования. На отдельных энергообъектах число отказов в течение года достигает нескольких десятков, а годовой недо-отпуск электроэнергии - нескольких миллиардов киловатт-часов. Суммарное количество электрооборудования, одновременно простаивающего в аварийном ремонте, составляет несколько тысяч единиц, при суммарной выведенной мощности десятки миллионов киловатт [6]. При этом большинству отказов предшествует тот или иной вид накопленных повреждений, а фактическое время работы электро оборудования, находящегося в структуре ремонтных циклов, как правило, не учитывается. Поэтому без учета технического состояния, определяемого методами технической диагностики, нельзя обеспечить надежную эксплуатацию электрооборудования при существующей системе ППР.
Реформирование экономики России, связанное с ее переходом к рыночным отношениям, глубокий кризис 90-х годов, вызвали существенные проблемы в электроэнергетике, в том числе и в организации эксплуатации, технического обслуживания и ремонта оборудования. Спад производства в электроэнергетике в эти годы составил 21 %. Уровень инвестиций в отрасль снизился в пять раз, что привело за десять лет к росту износа оборудования до 52 %, снижению объемов капитальных ремонтов и одновременно их качества [6]. Вывод энергетических мощностей из года в год превышал их ввод. Энергоремонтные службы потеряли за это время 40 - 60 % квалифицированных рабочих. До 70 % ремонтных рабочих сегодня составляют лица пенсионного и предпенсионного возраста [7]. Большая часть энергетического оборудования (до 60 %) исчерпала свой амортизационный срок, требует замены или капитального восстановительного ремонта.
Анализ динамики изменения физического и морального старения электрооборудования энергообъектов показывает, что в электроэнергетике России быстрыми темпами увеличивается количество оборудования, отработавшего свой технический ресурс, так: к 2010 г. предельной наработки достигнет 761 турбина на ТЭС суммарной мощностью более 76 млн. кВт; к 2015 г. сработка паркового ресурса генерирующих мощностей достигнет 112 млн. кВт или 62 % от установленной мощности; в период с 2001 по 2015 гг. расчетный ресурс сработают 58 % установленной мощности силовых трансформаторов напряжением ПО кВ и выше; в этот же период общая протяженность электросетей, отработавших расчетный ресурс, достигнет 75 % [8]. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют 2 - 6 % в год от общего количества.
Опыт эксплуатации показывает, что ресурс части электрооборудования может быть продлен, однако по прогнозной оценке к 2010 г. около 40 млн. кВт или 24 % генерирующих мощностей достигнут предельного состояния и дальнейшая их эксплуатация станет технически невозможна. С точки зрения эффективности
функционирования, эксплуатация такого оборудования станет также и экономически нецелесообразной, так как значительно увеличиваются удельные затраты на его ремонт после длительной эксплуатации. В случае продолжения эксплуатации изношенного электрооборудования затраты на ремонт по сравнению с 2000 г. возрастут к 2005 г. в 1,2 раза; к 2010 г. - в 1,3 раза; к 2015 г. - в 1,4 раза и составят 45,8 млрд. руб. в год. Например, для энергетических установок, отработавших более 30 лет, удельные затраты на техническое обслуживание и ремонт превышают средние показатели по отрасли в 3 раза. Для отдельных, наиболее изношенных электростанций и сетей, затраты на ремонт за срок службы в 2,5 - 3,5 раза превосходят затраты, необходимые для установки нового оборудования.
Учитывая реальную экономическую ситуацию в России, этапы и предполагаемые результаты реформирования энергетической отрасли, в ближайшие годы сложно ожидать ввода значительного количества новых генерирующих мощностей. Поэтому устойчивое и бесперебойное электроснабжение потребителей будет определяться надежностью действующего в настоящее время электрооборудования. Согласно новой концепции предоставления технологических услуг, выработанной РАО "ЕЭС России", обеспечение надежности оборудования достигается реализацией следующих трех основных направлений: своевременным и качественным ремонтом (42,5 %); техническим перевооружением действующих энергообъектов (30 %); модернизацией электрооборудования (10 %). При этом общий объем предоставляемых технологических услуг в 2000 г. достиг 2 млрд. долларов.
Техническое перевооружение и модернизация требуют значительных инвестиций, а систему технического обслуживания и ремонта можно совершенствовать путем внедрения новых прогрессивных форм её организации и управления. Однако, непрерывно увеличивается доля ремонтной составляющей в себестоимости электрической энергии. Существующая система ППР стала неадекватной изменившимся условиям функционирования электроэнергетики и эксплуатации оборудования, и вошла в противоречие с рыночными механизмами производственно-хозяйственной деятельности объектов энергетики.
Совершенствование системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования становится одной из основных проблем энергетической отрасли
на современном этапе ее развития [9]. Поэтому процесс реформирования энергоремонтного производства выделяется как приоритетная задача реструктуризации электроэнергетики. В ходе реформирования созданы независимые сервисные АО -ремонтные бизнес-единицы (РБЕ), на которые будет приходиться до 75 % всех работ, а на хозспособ - 25 % объема ремонтных работ. Такое изменение подходов к управлению стратегией технического обслуживания и ремонта требует решения целого ряда организационно-технических задач на базе современных методов управления эксплуатацией электрооборудования по техническому состоянию. Исследования как отечественных, так и зарубежных авторов показывают, что если затраты на эксплуатацию по стратегии ППР принять за 100 %, то затраты по стратегии аварийных ремонтов будут составлять 130 %, а по стратегии ремонтов с учетом технического состояния - 70 %.
К настоящему времени разработана целая гамма информационных систем, методов и средств контроля технического состояния и диагностики электрооборудования. Их широкое внедрение создает условия для реализации новой технологии эксплуатации электрооборудования с учетом технического состояния.
Поэтому возникает актуальная научная проблема обеспечения эксплуатационной надежности электрооборудования объектов энергетики на основе разработки новой технологии управления техническим состоянием. Основным принципом новой технологии управления техническим состоянием электрооборудования является стратегия технического обслуживания и ремонта, основанная на индивидуальном наблюдении за реальными изменениями фактического технического состояния электрооборудования в процессе эксплуатации [10, 11].
Цель работы и задачи исследования. Развитие теории и создание практических методов, обеспечивающих эффективную эксплуатацию и совершенствование ремонта электрооборудования электростанций и подстанций по техническому состоянию. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий комплекс задач:
• обосновать теоретико-методологические принципы и положения системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования электростанций и подстанций по техническому состоянию;
• усовершенствовать методы расчета и прогнозирования показателей надежности электрооборудования с учетом результатов оценки технического состояния и мониторинга за режимами его работы;
• развить методы и создать более точные модели определения оптимальных сроков и объемов ремонта электрооборудования в новых условиях функционирования энергоремонтного производства при оптимальном распределении объема работ между собственным и привлеченным ремонтным персоналом;
• разработать методы и математические модели планирования технического обслуживания и ремонта с выбором оптимальной стратегии управления процессом эксплуатации различных групп электрооборудования по техническому состоянию;
• разработать модель принятия решения о замене электрооборудования или определения предельного срока его эксплуатации до физического износа или потери работоспособности с учетом его технического состояния и режимов работы, для принятия решения по выбору очередности реконструкции и технического перевооружения электроэнергетических объектов;
• создать алгоритмы, информационное и программное обеспечение оптимальной организации и эффективного функционирования системы технического обслуживания и ремонта на базе новых информационных технологий, SCADA-систем, программ управления проектами, фондами и активами энергообъектов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является электротехническое оборудование электростанций и подстанций (силовые трансформаторы, КРУ, выключатели, электродвигатели и др.). Предметом исследования являются принципы и методы технического обслуживания и ремонта электрооборудования по техническому состоянию.
Методика исследований и достоверность полученных результатов. Для решения поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, математического моделирования, исследования операций, теории вероятности и математической статистики, теории случайных процессов, экспериментально-статистического анализа надежности, теории матриц и булевой алгебры, методы штрафных функций и технического диагностирования, теории моделирования и методов оптимизации сложных систем. Проверка достоверности и технико экономической эффективности предложенных методов основывалась на результатах вычислительных экспериментов, и подтверждается данными, полученными в реальных условиях эксплуатации электрооборудования на энергообъектах.
Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в развитии теории и совершенствовании методов математического моделирования и системного подхода к реализации системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования станций и подстанций по техническому состоянию. Новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика программно аналитического расчета и прогнозирования показателей эксплуатационной надежности электрооборудования, которая позволяет количественно оценить показатели безотказности, ремонтопригодности и долговечности, с учетом результатов оценки технического состояния и мониторинга за режимами работы, а также эксплуатационных факторов, влияющих на сработку ресурса.
2. Разработаны основные принципы системы технического обслуживания и ремонта оборудования электростанций и подстанций по техническому состоянию. Обоснована методика выбора рациональной стратегии проведения ремонта электрооборудования.
3. Усовершенствованы известные и разработаны новые методы и модели определения срока и объема проведения профилактических ремонтов для различных стратегий и видов электрооборудования с учетом результатов диагностирования. При этом учитывается объем заменяемых и ремонтируемых сборочных единиц электрооборудования в зависимости от степени развития дефекта и соответствующего для его восстановления перечня работ. Модели позволяют оптимизировать межремонтные периоды электрооборудования с учетом оценки технического состояния и показателей эксплуатационной надежности, а также повысить обоснованность выполняемых операций и качество ремонта.
4. Разработана обобщенная модель процесса эксплуатации электрооборудования, позволяющая реализовать комплексный подход к управлению техническим состоянием и выбрать рациональную стратегию управления процессом эксплуа тации различных технологических групп электрооборудования на основе матричного метода по критерию минимума штрафной функции.
5. Разработаны методы и математические модели формирования планов-графиков работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту электрооборудования с учетом результатов диагностирования. Методы формируют приоритетные списки электрооборудования, требующего проведения технического обслуживания и ремонта на текущий и следующие плановые периоды.
6. Разработана математическая модель принятия решений о замене электрооборудования или целесообразном сроке его сверхнормативной эксплуатации до физического износа и потери работоспособности, позволяющая обоснованно выбирать объемы и очередность техперевооружения на энергообъектах.
7. Разработана математическая модель оптимального распределения объема работ между собственным и привлеченным ремонтным персоналом.
8. Создано алгоритмическое, информационное и программное обеспечение оптимальной организации и более эффективного функционирования системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования по фактическому техническому состоянию.
Практическая ценность работы. Практическое значение полученных результатов состоит в реализации новой технологии управления техническим состоянием электрооборудования электростанций и подстанций, обеспечивающей более высокую эксплуатационную надежность оборудования путем совершенствования системы технического обслуживания и ремонта в условиях реформирования энергоремонтного производства.
• Полученные математические модели оценки надежности электрооборудования с учетом результатов контроля за режимами работы и основными воздействующими факторами позволяют определить эксплуатационные показатели безотказности, ремонтопригодности и долговечности конкретной единицы электрооборудования в процессе эксплуатации с учетом характера возникновения отказов и различных режимов работы, а также наметить мероприятия, обеспечивающие повышение надежности оборудования, и обоснованно перейти к организации системы технического обслуживания и ремонта с учетом технического состояния.
• Разработанный метод и математическая модель выбора варианта замены электрооборудования или продолжения его эксплуатации до физического износа или полной потери работоспособности на основе определения предельного срока продления позволяют обоснованно подходить к выбору оптимальных объемов и очередности технического перевооружения объектов электроэнергетики.
• Разработанные методы, математические модели, алгоритмы и компьютерные программы используются рядом генерирующих и сетевых компаний, а также ремонтных предприятий для совершенствования и оптимизации системы технического обслуживания и ремонта, что позволяет уменьшить число отказов и повысить надежность электроснабжения потребителей.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты исследований апробированы, внедрены или используются в практике работы на Кармановской, Печорской, Костромской и Череповецкой ГРЭС; Калининской АЭС; Ярославской ТЭЦ-3; Киевской ТЭЦ-6; Ивановской ТЭЦ-3; Алексинской и Саровской ТЭЦ, электростанциях Каскада Пазских ГЭС, Александровском ПЭС, Арзамаском ПЭС и др.
Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе и научной работе Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ) и Петербургского энергетического института повышения квалификации (ПЭИПК). Положения и разработки диссертации вошли в специальный курс "Техническое обслуживание, ремонт и монтаж электрооборудования электрических станций и подстанций", предназначенный для студентов электроэнергетических специальностей и слушателей курсов повышения квалификации.
Акты и справки о внедрении результатов диссертационной работы представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 5.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Методические положения и принципы, определяющие эффективное функционирование системы технического обслуживания и ремонта электротехнического оборудования электростанций и подстанций по техническому состоянию.
2. Математические модели определения эксплуатационных показателей безотказности, ремонтопригодности и долговечности электрооборудования энергообъ ектов с учетом результатов оценки технического состояния и мониторинга за режимами работы.
3. Методы и математические модели, позволяющие в условиях реформирования энергоремонтного производства определять оптимальные сроки и объемы ремонта, выбирать рациональную стратегию проведения технического обслуживания и ремонта, планировать работы по техническому обслуживанию и ремонту с учетом технического состояния электрооборудования, выбирать рациональную стратегию управления процессом эксплуатации электрооборудования по технологическим группам.
4. Результаты численных и аналитических решений по определению эксплуатационных показателей надежности, ремонтопригодности, оптимальных периодичности и объема ремонта.
5. Методика и математическая модель принятия решений по выбору варианта замены электрооборудования или продолжения его работы до предельного срока эксплуатации, а также выбор оптимальных объемов и очередности реконструкции и технического перевооружения электрооборудования электростанций и подстанций в новых условиях реформирования электроэнергетики.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационных исследований 37 раз докладывались и обсуждались на 29 международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях. Среди них: Иркутск (1984, 1986, 2003 гг.); Сыктывкар (1989 г.); Плес (1989 г.); Прага (1989 г.); Иваново (1985, 1987, 1989, 1992, 1997, 1999, 2001, 2003 гг.); Суздаль (1986, 1988 гг.), Кишинев (1987 г.); Киев (1988, 1989, 2001 гг.); Екатеринбург (2001 г.); Казань (2001 г.); Туапсе (2002 г.); Москва (2003 г.); Санкт-Петербург, (1993, 1997, 2002, 2004 гг.); Варна (2004 г.); Минск (2004 г.); Чернигов (2004 г.).
Диссертация обсуждалась и получила одобрение на расширенном заседании кафедр электроэнергетического факультета ИГЭУ (2003 г. Иваново, Россия), на международном научно-техническом семинаре "Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования" (2004 г. Варна, Болгария) и на всероссийском научном семинаре с международным участием "Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики (2004 г. Минск, Беларусь).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 68 печатных работах, в том числе: 3 монографии, 2 учебных пособия, патент, 42 статьи в научных журналах и сборниках научных трудов, 21 тезис докладов, опубликованные в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. В первой главе проводится анализ исследований в области обеспечения надежности, эффективной эксплуатации и совершенствования ремонта электрооборудования. Сформулированы основные задачи технического обслуживания и ремонта электрооборудования по техническому состоянию в условиях реформирования энергетики. Проанализировано состояние эксплуатационной надёжности и действующей системы ППР электрооборудования электростанций и подстанций. Выполнен обзор некоторых применяемых и наиболее перспективных разрабатываемых методов диагностики электрооборудования. Сформулированы основные принципы системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования электростанций и подстанций по техническому состоянию. Во второй главе разработаны обобщенные модели определения эксплуатационной надёжности и расхода ресурса электрооборудования с учетом действия эксплуатационных факторов. Модели определяют влияние различных факторов на показатели безотказности и долговечности в переходных и стационарных режимах работы для различных видов электрооборудования и его сборочных единиц. Предложены методики аналитического расчета и прогнозирования показателей долговечности, безотказности и ремонтопригодности электрооборудования с учетом результатов мониторинга за режимами работы и возникающими при этом факторами. Проанализирована автоматизированная система сбора и обработки информации для оценки технического состояния электрооборудования объектов энергетики. Выполнены расчеты и исследовано влияние неопределенности информации о техническом состоянии электрооборудования на точность определения показателей эксплуатационной надёжности и периодичности ремонтов. В третьей главе выполнена классификация моделей различных стратегий технического обслуживания и ремонта, учитывающая характер проявления отказов и результаты диагностирования. Разработаны математические
модели определения оптимальных межремонтных периодов для различных стратегий и видов электрооборудования. Проведены расчеты по выявлению влияния изменения исходных данных на результаты вычисления оптимальной периодичности ремонтов для различных видов электрооборудования. Разработана методика и математическая модель определения оптимального объема ремонта электрооборудования с учетом результатов диагностирования. Предложен подход по выбору рациональной стратегии проведения ремонта электрооборудования. В четвертой главе разработана обобщенная модель процесса эксплуатации электрооборудования, позволяющая реализовать комплексный подход к управлению техническим состоянием и выбрать рациональную стратегию управления процессом эксплуатации различных технологических групп электрооборудования, с использованием матричного метода по критерию минимума штрафной функции. Разработаны методики и математические модели формирования планов-графиков работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту с учетом технического состояния. Разработана автоматизированная система обеспечения ремонтов. В пятой главе выполнен анализ ремонтно-эксплуатационных затрат на протяжении срока службы электрооборудования. Разработана методика принятия решений о замене электрооборудования или о целесообразном сроке продолжения его эксплуатации. Исследованы предельные сроки сверхнормативной эксплуатации для электрооборудования различных типов и классов напряжения. Предложена схема принятия решения по выбору очередности реконструкции и технического перевооружения электроэнергетических объектов. Разработана методика и проведена оптимизация распределения объемов ремонта электрооборудования между собственным и привлеченным ремонтным персоналом.
Автор полагал, что разработанные в диссертации методы и модели решения ряда актуальных ремонтно-эксплуатационных задач могут быть полезны научным и инженерно-техническим работникам, занимающимся эксплуатацией и ремонтом электрооборудования объектов энергетики.
Исследования в области обеспечения надёжности электрооборудования
Проблема эффективного и надежного функционирования электрооборудования зависит от качества его изготовления, условий эксплуатации, режимов работы, организации системы технического обслуживания и ремонта. Существенный вклад в решение этой проблемы внесен в значительном количестве публикаций за последние 30 лет (1973-2003 г.г.) участниками Всероссийского научного семинара РАН "Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики". Развитию теории и методов обеспечения надежности электрооборудования систем энергетики посвящены работы Н.И. Воропая, Ю.Б. Гука, В.Г. Китушина, А.В. Мясникова, В.А. Непомнящего, Ю.Н. Руденко, М.Н. Розонова, Ю.А. Фокина [12 - 26], и многих других отечественных и зарубежных ученых [27 - 39].
Научной основой диагностики технических систем являются исследования И.А. Биргера, Д.В. Гаскарова, В.В. Клюева, А.В. Мозгалевского, П.П. Пархоменко [40 - 48] и др. Основной вклад в развитие теоретической базы и практических методов оценки технического состояния электрооборудования по результатам диагностирования внесли Б.А. Алексеев, И.А. Глебов, Я.Б. Данилевич, Ю.Н. Львов, Л.Г. Мамиконянц, В.Н. Осотов, А.Г. Овсянников, B.C. Поляков, В.А. Савельев, В.Ф. Скляров, А.И. Таджибаев, В.П. Таран [49 - 68] и др.
В создание теоретических основ и методов организации, планирования и управления ремонтом сложных систем большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: Е.Ю. Барзилович, Р. Барлоу, Ф.Байхельт, В.Ф. Воскобоев, А.А. Ицкович, Д. Кокс, Г.Г. Маныпин, В.М. Михлин, Ф. Прошан, Н.А. Северцев, Н.Н. Смирнов, В. Смит, СВ. Степанов, П. Франкен, Дж. Эндрени [69 - 88] и др. Применительно к оборудованию объектов энергетики в этом направлении можно отнести исследования: Н.А. Афанасьева, В.Б. Атабекова, В.А. Блюмберга, В.А. Володарского, П.Г. Грудинского, Е.К. Иноземцева, Л.Г. Коварского, М.А. Коротке-вича, В.И. Колпачкова, СИ. Лезнова, СА. Мандрыкина, Р.И. Соколова, М.А. Юсипова, А.А. Филатов, А.И. Ящуры [89 - 110] и др.
Однако вопрос обеспечения надежности с позиций оптимальной организации и эффективного функционирования системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования электростанций и подстанций по техническому состоянию отражен в них недостаточно полно. Решение этой проблемы заключается в определении характеристик управляющих воздействий системы технического обслуживания и ремонта, которые при минимальной стоимости обеспечат поддержание заданного уровня технического состояния электрооборудования в течение установленного срока. Основные задачи технического обслуживания и ремонта (ТОиР) электрооборудования по техническому состоянию представлены на рис. 1.1. Указанные задачи с методической точки зрения обеспечения надежности электрооборудования тесно взаимосвязаны друг с другом. Поэтому выбор рациональной системы ремонта электрооборудования представляет собой комплексную проблему со многими переменными, основанную на теории надежности, старения, восстановления и технической диагностики. Сущность такой системы технического обслуживания и ремонта заключается в том, что по истечении определенного отработанного времени в момент ожидаемого отказа производят различного вида профилактические работы. Чем меньше во времени разрыв между моментом ожидаемого отказа и моментом выполнения соответствующего профилактического воздействия на электрооборудование, тем эффективнее система ремонта.
Правило, однозначно устанавливающее выбор ремонтного воздействия (параметров системы ремонта) на техническую систему в течение всего времени ее эксплуатации, принято называть стратегией ремонта. Известны три стратегии ремонта оборудования: стратегия 1 - стратегия аварийных ремонтов (САР), при которой плановые профилактические ремонты не проводят, а аварийные восстановительные работы осуществляют лишь после отказа электрооборудования; стратегия 2 - стратегия планово-предупредительных ремонтов (ППР), согласно которой работы по техническому обслуживанию и ремонту проводят периодически в плановые сроки, независимо от технического состояния электрооборудования, а в случае его отказа осуществляют его восстановление или замену; стратегия 3 - стратегия ремонта по техническому состоянию (СТС), когда мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту проводят с учетом фактического состояния электрооборудования, определяемого методами технической диагностики.
Сбор и обработка информации для оценки технического состояния и прогнозирования надежности электрооборудования
Информация о техническом состоянии, полученная с помощью средств диагностирования может быть использована для оценки эксплуатационной надежности электрооборудования. Это позволяет учесть влияние условий и режимов работы на эксплуатационную надежность электрооборудования. К основным факторам, влияющим на надежность электрооборудования, кроме фактора времени (на работки), относятся параметры, определяющие сработку ресурса. Причем даже для однотипного электрооборудования - электродвигателей, выключателей и трансформаторов характерна неравномерная сработка ресурса. Это, указывает на то, что при определении потребности электрооборудования в ремонте необходимо учитывать влияние эксплуатационных факторов на техническое состояние. Поэтому обобщенная модель расхода ресурса должна уточнятся в зависимости от особенностей эксплуатации, ремонта и режимов работы конкретных типов электрооборудования. Для учета результатов диагностирования на надежность оборудования, применена модель реального износа и сработки ресурса оборудования [187, 188].
Соответственно для электрооборудования различных типов должны быть выбраны методы и средства технической диагностики, позволяющие собрать и обработать информацию для оценки сработанного ресурса. При контроле изменения параметров, ресурс определяется как относительная величина, показывающая во сколько раз он изменился по сравнению с исходным за рассматриваемый период эксплуатации. Методика оценки ресурса электрооборудования должна учитывать характер влияния факторов различной физической природы (тепловые, электрические, механические, химические) на контролируемые параметры в переходных и стационарных режимов работы.
Разработка математических моделей надежности электрооборудования, определяется необходимостью прогнозирования апостериорных значений показателей надежности на предстоящий период времени с учетом результатов контроля режимов работы и основных воздействующих на оборудование факторов. При этом следует учитывать как внезапные, так и износовые отказы в переходных и стационарных режимах работы. Из обобщенной модели выводятся модели расчета вероятности безотказной работы для электродвигателей, выключателей и трансформаторов. С помощью этих расчетных моделей строятся зависимости вероятности безотказной работы для различных видов электрооборудования с учетом реально воздействующих факторов в процессе эксплуатации. В этом случае целесообразно выполнить исследования влияния неопределенности информации о техническом состоянии электрооборудования на точность определения показателей эксплуатационной надёжности и периодичности ремонта.
С позиций системы ремонта по техническому состоянию важно оценить надежность электрооборудования с точки зрения его ремонтопригодности с учетом результатов диагностирования. Для этого необходимо привести расчет среднего времени восстановления оборудования, как одного из основных показателей ремонтопригодности, а также оценить коэффициент контролепригодности различных типов электрооборудования.
Система контроля и технической диагностики выявляет дефекты и неисправности, возникающие в сборочных единицах оборудования. Совокупность данных, полученных в результате і-го контроля, определяют і-й уровень диагностирования. Первый уровень - общее диагностирование электрооборудования, второй (N-й уровень) - поэлементное (поузловое) диагностирование. Чем выше уровень диагностирования, тем полнее информация о фактическом техническом состоянии оборудования. Поэтому для каждого вида электрооборудования целесообразно определить глубину диагностирования. Показана необходимость повышения ремонтопригодности электрооборудования на стадии проектирования и производства путем оснащения его специальными встроенными средствами диагностирования, а также проведения испытаний с целью накопления статистических данных по трудозатратам на выполнение операций, необходимых для восстановления ресурса электрооборудования.
Вероятность безотказной работы может быть использована [184, 187]: в качестве критерия, определяющего потребность конкретного электрооборудования в ремонте; при расчете показателя приоритета, указывающего очередность вывода в ремонт; а также при оптимизации объемов и периодичности проведения ремонта.
Разработанные математические модели позволяют оперативно оценить надежность конкретной единицы электрооборудования в процессе эксплуатации, учитывая воздействующие факторы в различных режимах работы, а также наметить ремонтно-профилактические мероприятия по обеспечению и повышению надежности на основе новой технологии оперативного управление техническим состоянием.
Постановка задачи определения оптимальной периодичности и объёма ремонтных работ
Основой совершенствования системы технического обслуживания и ремонта (ТОиР) электрооборудования является оптимальное определение периодичности и объема работ по ТОиР, выполняемых в соответствии с выбранной стратегией проведения этих работ [11, 153,155, 185,237].
Правила технической эксплуатации электрооборудования [1], основываются на одной из трех стратегий ТОиР (или их сочетания на энергообъекте в различной пропорции) - "по регламенту" (стратегия планово-предупредительного ремонта (ППР)), "по отказам" (стратегия аварийного ремонта (САР)), "по состоянию" (стратегия ремонта по техническому состоянию (СТС)). Данные как зарубежных, так и отечественных ученых показывают, что если принять ремонтно- эксплуатационные затраты, в случае выполнения ТОиР по стратегии ППР за 100 %, то ремонтно- эксплуатационные затраты по САР будут составлять 130 %, а по СТС -70% [181].
Принципиальным различием стратегий ТОиР электрооборудования, характеризующим принципы проведения ремонтных работ и устанавливающим нормативные параметры каждой стратегии, является отношение к определению и использованию информации о техническом состоянии электрооборудования.
В общем случае стратегия ТОиР включает осмотр и оперативное обслуживание, контроль и диагностику, ремонт и восстановление. Оперативное профилактическое обслуживание связано с осмотрами, чисткой, смазкой регулировкой или опробованием оборудования. Контроль и диагностика позволяют установить в конкретный момент времени фактическое техническое состояние электрооборудования, на основе проверки соответствия значения параметров оборудования требованиям нормативно-технической документации. Профилактический ремонт выявляет неисправности и устраняет снижение уровня технического состояния, т.е. предупреждает возникновение отказов и повреждений оборудования или его составных частей. Как правило, профилактический ремонт выполняется по плану в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. В зависимости от фактического технического состояния электрооборудования и соответствующего ему объема работ ремонт подразделяется на капитальный, средний и текущий. Любой регламентированный ремонт выполняется с периодичностью и в объеме, установленными в эксплуатационной документации, независимо от технического состояния конкретной единицы оборудования в момент начала ремонта.
В результате ремонта происходит восстановление технического ресурса оборудования до значений близких к полному ресурсу. Ремонт по техническому состоянию назначается по результатам технической диагностики, причем периодичность и объем ремонта определяется техническим состоянием оборудования. Аварийный ремонт восстанавливает работоспособность оборудования после отказа. Для продления нормативного срока службы после длительной эксплуатации электрооборудованию может проводиться восстановительный ремонт.
Для повышения надежности электрооборудования, а также снижения затрат на его эксплуатацию, широкое распространение получают системы контроля состояния и диагностики. Контроль состояния представляет собой слежение за параметрами режимов эксплуатации электрооборудования в пределах установленных норм. Система контроля состояния может выполнять постоянный или периодический мониторинг параметров. Диагностика предназначена для выявления и прогнозирования развития дефектов, общей оценки состояния и подготовки рекомендаций по управлению состояниями процесса эксплуатации электрооборудования. На базе этой информации устанавливаются сроки и объемы проведения ТОиР по фактическому техническому состоянию.
Под техническим состоянием понимается совокупность параметров, характеризующих изменение свойств оборудования в процессе эксплуатации, установленных нормативно-технической документацией [238].
Известно, что оборудование имеет множество уровней технического состояния (классов, видов, категорий). В основу классификации уровней технического состояния, в теории диагностики и теории надежности, положен принцип отнесения уровня технического состояния к видам работ по ТОиР. Тогда множество уровней состояния оборудования может быть конечным и соответствовать определенному объему и периодичности ТОиР. Виды технического состояния определяют жизненный цикл оборудования.
Важными характеристиками надежности оборудования являются свойства безотказности и долговечности. Безотказность определяется следующими показателями [24]: вероятностью безотказной работы P(t), интенсивность отказов X(t), параметром потока отказов co(t) и средней наработкой до отказа Тоср.. Долговеч ность характеризуют показатели [24]: среднего ресурса RcP, гамма-процентного ресурса Ry, назначенного ресурса RHa3 и среднего срока службы Тср.
Поэтому, значения вероятности безотказной работы и технического ресурса могут быть интегральными характеристиками уровня технического состояния оборудования в процессе эксплуатации.
Общая характеристика задачи планирования технического обслуживания и ремонта электрооборудования
Определение оптимальной стратегии планирования, подготовки и проведения профилактических работ по поддержанию электрооборудования в работоспособном состоянии представляет собой одну из задач управления процессом выработки и распределения электрической энергии на энергообъектах в сетевых и генерирующих компаниях. Результатом ее решения являются списки электрооборудования, требующего проведения профилактических работ. На основании этих списков составляются соответствующие планы-графики [10, 122, 155]. Поэтому в качестве объекта моделирования рассматривается план-график профилактических работ, намечаемый к выполнению в течение некоторого календарного отрезка времени, и стратегия управления состояниями процесса эксплуатации группы электрооборудования одного технологического назначения. При этом в качестве объекта управления принимаются состояния процесса эксплуатации, в одном из которых должно находиться электрооборудование.
В настоящее время все профилактические работы в зависимости от категории сложности, длительности, стоимости и периодичности их проведения подразделяются на два вида - работы по техническому обслуживанию (ТО) и текущему ремонту. Работы, связанные с проведением капитального ремонта, относятся к восстановительным. Учитывая значительные различия между этими видами работ, целесообразно иметь для каждого из них свою методику составления планов-графиков. Вместе с тем для планирования работ каждого вида необходимо иметь списки оборудования, подлежащего ТО и текущему ремонту в рассматриваемом периоде (неделя, месяц, год и т. д.). Составление планов-графиков на основании этих списков представляет собой решение задачи оперативного управления, поскольку: объектом управления являются состояния процесса эксплуатации, длительность пребывания оборудования в которых измеряется часами; периодичность составления списков (измеряется в диапазоне от недели (месяца) до месяца (года), что характерно для оперативного управления). Объекты управления определяют цели управления, которые в данном случае также указывают на то, что поставленная задача относится к классу задач оперативного управления. Целью управления процессом эксплуатации и процедурой составления планов-графиков профилактических работ является поддержание надежности электрооборудования на требуемом уровне. Это достигается непосредственным воздействием на состояния процесса эксплуатации в соответствии с изменениями технического состояния электрооборудования.
Следовательно, задача выбора стратегии управления состояниями процесса эксплуатации и составления планов-графиков профилактических работ электрооборудования является задачей оперативного управления.
Очевидно, для того чтобы определить рациональную стратегию эксплуатации и ремонта, необходимо установить такие правила управления, при которых в первую очередь выполняются работы на электрооборудовании, имеющем более низкий уровень технического состояния независимо от того, раньше или позднее оно было введено в эксплуатацию. Это означает, что дисциплина очередности выполнения работ в списке сводится к приоритетному принципу [73]. Как правило, процедура формирования приоритетных списков выполняется для электрооборудования блока, но при необходимости может быть выполнено также составление приоритетных списков и в целом по электростанции или предприятию электрических сетей.
В качестве расчетной единицы планового периода при составлении планов-графиков по ТО принимается одна неделя, а для ремонтных работ - один месяц. За срок планирования принимается последний день предыдущего планового периода. Такие значения единиц планового периода выбраны исходя из сложившейся в энергетике практики краткосрочного планирования и оперативного управления ремонтом электрооборудования объектов энергетики.
Поскольку составление планов-графиков сводится к получению списков, то аналитическое представление процедуры получения приоритетных списков принято называть математической моделью составления плана-графика профилактических работ. Основные положения, указывающие правила получения списков и их реализацию, называют методом составления планов-графиков профилактических работ. При этом процесс эксплуатации также должен быть формализован, что связано с необходимостью управления им в зависимости от изменения уровня технического состояния электрооборудования. Эта задача решается с помощью матричного метода управления состояниями процесса эксплуатации. Согласно этому методу стратегия управления состояниями процесса эксплуатации группы электрооборудования одного технологического назначения может быть представлена специальной матрицей управления. Заполнение матрицы управления осуществляется по результатам диагностирования и определяется уровнем технического состояния каждой единицы электрооборудования.
