Введение к работе
Актуальность темы исследования. Намеченная стратегия России до 2030 перехода экономики на инновационный путь предусматривает развитие энергетического сектора страны. Снижение удельной энергоемкости является при этом центральной задачей энергетической политики, связанной с перестройкой всего хозяйственного механизма, существенно повышающего надежность и качество выпускаемой продукции. Использование промышленными предприятиями современной технологии производства, оснащения передовой техникой приводит к увеличению производительности труда, снижению себестоимости продукции, повышению культурно-технического уровня и квалификации рабочих. Все решения должны осуществляться на основе научно-технического прогресса обуславливающего техническое перевооружение и реконструкцию производства, интенсивное использование созданного производственного потенциала, совершенствования системы управления. Повышение производительности труда неразрывно связано с интенсификацией технологических процессов, увеличением электропотребления и энерговооруженности. Из-за ввода в действие новых более мощных по производительности технологических машин происходит прирост потребления электрической энергии. Отказы электрического оборудования вызывают изменение параметров технологического процесса, вызывая материальные убытки в результате недовыпущенной продукции и затраты на ремонт отказавшего оборудования. Цена их становится все более ощутимой. Поэтому проблема повышения эффективности функционирования производственных процессов предприятий при воздействии комплекса негативных факторов на систему электроснабжения посредством анализа и рационального управления параметрами безотказности систем имеет важное народнохозяйственное значение.
Настоящая работа посвящена как общим проблемам теории безотказности иерархических систем электроснабжения, так и реализации задач снижения динамического воздействия негативных факторов на их эффективность функционирования, причем с выделением из композиции совместного воздействия наиболее опасных факторов и их компенсацией в первую очередь. Выполненные до настоящего времени исследования относятся к количественной оценке безотказности систем и их электрооборудования, не учитывающие воздействие отказов на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Рассматривать безотказность систем электроснабжения изолированно от других систем, таких как системы автоматики и релейной защиты, значит не использовать весь комплекс мероприятий на повышение безотказности электроснабжения. Объединяющим в нашем случае является конечный продукт производства, на получение которого направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения.
В связи с этим решение проблемы рационального управления безотказностью систем электроснабжения и оценки эффективности мероприятий по компенсации детерминированных по уровню воздействия негативных возмущений, позволит обосновать и разработать методы и средства, обеспечивающие анализ и
рациональное управление параметрами функционирования систем электроснабжения, что представляет собой сложную и весьма важную для практики задачу.
Степень разработанности темы исследования. Исследования, проводимые по настоящее время, посвящены в подавляющем большинстве случаев количественной оценке параметров безотказности и отображают результаты, не учитывающие воздействия перерывов в электроснабжении на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Безотказность систем электроснабжения нельзя рассматривать отдельно от работы технологической системы, системы автоматики, теплоснабжения, транспорта, и т. д. Чтобы получить оптимальный уровень параметров функционирования технологических систем предприятий, следует использовать комплекс взаимодействующих мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности функционирования электроснабжения. Поэтому, необходимо оценивать безотказность систем электроснабжения с учетом взаимодействия электрооборудования с оборудованием других систем производств промышленного предприятия. Основным является выпускаемая продукция, на ее получение направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения. Следовательно, для решения поставленной проблемы целесообразен методологический подход, объединяющий исследование функционирования технологических процессов и систем электроснабжения с последующим развитием теоретических основ потоков случайных событий. Потоки случайных событий могут использоваться как в качестве математических моделей, описывающих протекание выпуска продукции и работу систем электроснабжения. Многоцелевой анализ безотказности систем электроснабжения с оценкой эффективности мероприятий по ее повышению с учетом поточно-цикличного производства и взаимосвязей электрического оборудования с функционированием технологических машин даст возможность всесторонне обосновать и разработать методы и средства, оптимизирующие параметры электроснабжения промышленных производств.
Целью работы является развитие теории безотказности систем электроснабжения с учетом функционального взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами и создании на ее основе методов и средств, обеспечивающих анализ и рациональное управление параметрами безотказности систем электроснабжения при интенсивном воздействии комплекса негативных возмущающих факторов в сложных условиях производств.
Основной задачей работы является развитие в теоретическом и практическом плане основ анализа и управления безотказностью иерархических систем электроснабжения с оценкой целесообразности эффективности применения методов разложения на отдельные возмущения совместного комплекса факторов и средств первоочередной компенсации наиболее опасных из них.
Научная новизна работы заключается в:
разработке структурно-функциональной модели системы электроснабжения с учетом взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами, отличающейся учетом влияния на функционирование системы случайных негативных факторов и их композиций;
выявлении новых закономерностей изменения функционирования техно-
логической системы, вызванного воздействием отдельных негативных возмущающих факторов и их композицией в системе электроснабжения, для оценки мероприятий, повышающих безотказность электрической системы;
получении новой методики определения коэффициентов кратности частот, позволяющей по алгебраическим зависимостям рассчитывать спектры частот через параметры системы электроснабжения и характеристики возмущений, при которых наблюдаются экстремальные значения токов и напряжений при наличии негативных факторов;
разработке нового математического описания анализа спектра гармонических составляющих в узлах систем электроснабжения, позволяющего выявлять закономерности возникновения резонансных явлений на высших гармониках, отличающегося использованием коэффициентов кратности частот при учете характеристик системы;
разработке математического описания анализа влияния негативных факторов на изоляционные конструкции электрооборудования, позволяющего оценивать влияние параметров выбросов напряжений на эффективность и безотказность функционирования систем электроснабжения отличающееся учетом влияния загрязнений на равномерность распределения напряжения вдоль изоляционной конструкции;
разработке математического описания функционирования восстанавливаемых систем при воздействии случайных факторов, приводящих к постепенным и внезапным отказам элементов с учетом коэффициентов эффективности вида резервирования, для оценки мероприятий, повышающих безотказность всей системы электроснабжения, а не отдельных ее элементов;
в разработке методики оценки негативного воздействия взаимосвязанных, зависимых факторов на эффективность функционирования систем электроснабжения, основанной на разложении спектра совместного действия негативных факторов на отдельные возмущающие факторы и позволяющей определить влияние выделенного фактора или отдельных их сочетаний на функционирование систем;
- в разработке методики обоснования рационального применения ком
плекса мероприятий, обеспечивающих рациональные параметры безотказности
электрических систем предприятий, на основе разделения источников негатив
ных возмущающих факторов, учете приращения тока и диэлектрических потерь,
использования комплекса статической и динамической компенсации зависимых
возмущающих факторов с обоснованием очередности их компенсации по значи
мости воздействия на функционирование системы электроснабжения.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке:
модели функционирования системы электроснабжения с учетом структурно-функциональной взаимосвязи электрооборудования с технологическими машинами, при воздействии спектра случайных негативных факторов, применимой для любых промышленных объектов;
математического описания функционирования восстанавливаемых систем при воздействии случайных негативных возмущений, вызывающих внезапные и постепенные отказы электрооборудования или отдельных его соединений
с применением коэффициентов эффективности нила резервирования, позволяющего получать параметры работы систем при использовании различных видов резервирования электрооборудования;
зависимостей для анализа воздействии различного уровня перенапряжений на изоляционные конструкции в случае наличия поверхностного загрязнения при оценке безотказности и эффективности функционирования систем электроснабжения;
методики оценки воздействия композиции негативных возмущений на эффективность функционирования систем электроснабжения, основанной на разложении спектра совместного их действия на составляющие с определением степени влияния выделенных возмущений или ограниченного их спектра на функционирование электрической системы любой сложности;
- методологии обоснования выбора мероприятий, обеспечивающих рациональные параметры безотказности и эффективности функционирования систем электроснабжения при воздействии комбинации взаимосвязанных негативных факторов и использовании комплексов активного динамического подавления возмущений, детерминированных по уровню их воздействия на безотказность электроснабжения.
Практическая значимость работы заключается в разработке универсальных обобщенных зависимостей, позволяющих определять безотказность систем электроснабжения при воздействии комплекса негативных возмущений по известным параметрам электрооборудования. В результате оказалось возможным в условиях действующих крупномасштабных производств выявлять причины неэффективной работы систем электроснабжения. Разработаны инженерные методы и технические средства регулирования параметров безотказности систем с учетом коэффициентов связи и бесперебойным обеспечением электрической энергией приемников. Созданы предпосылки промышленного внедрения в России новых устройств, позволяющих из комплекса возмущающих факторов выделять и компенсировать основные возмущения, и предотвращающих развитие аварий в системах; экспериментально подтверждена их эффективность.
Методология и методы исследования. В работе использован комплексный подход исследования, включающий достижения в области электроснабжения, теорию сложных систем, элементы дифференциального и интегрального исчисления, теорию случайных процессов, теорию надежности, теорию вероятностей, методы математической статистики и моделирования с применением вычислительной техники. Экспериментальная оценка полученных результатов по повышению безотказности систем электроснабжения промышленных производств проводились в условиях реальных металлургических предприятий, которые выступают в качестве объекта исследования.
Оценка безотказности систем электроснабжения и их электрооборудования производилась путем обработки данных экспериментальных исследований методами математической статистики. Описание электрооборудования, установление его взаимосвязей с технологическими машинами, исследование влияния перерывов в электроснабжении на технологический процесс и определение эффективности мероприятий по повышению безотказности электроснабжения
осуществлялось с применением вероятностного подхода, теории надежности и теории сложных систем, методов технико-экономического анализа и сравнения вариантов с широким использованием вычислительной техники. Положения, выносимые на защиту:
1. В работе обоснованы эксплуатационные возможности систем электро
снабжения промышленных предприятий определяемые их структурой, безотказ
ным обеспечением электрической энергией приемников, взаимосвязями между
электрооборудованием и оборудованием других систем, в первую очередь, сис
тем управления и защиты. Результаты анализа параметров взаимосвязей между
оборудованием позволяют выявить требования к системам электроснабжения и
обосновать рациональные технические решения.
Показано, что обобщенные расчетные схемы соответствуют большему числу систем электроснабжения промышленных производств, а их функционирование адекватно трансформации суммарного потока случайных событий, отображающего действия по изменению ритмичности выпускаемой продукции.
-
Установлена прямая взаимосвязь между функциональными возможностями электроприемников с помощью амплитудно-временных параметров потоков событий и косвенная - через коэффициенты эффективности вида резервирования и взаимосвязи, что позволило производить анализ и регулирование функциональных связей в сложных системах электроснабжения промышленных предприятий, используя простой математический аппарат.
-
Получены универсальные зависимости параметров нарушений электроснабжения от негативных факторов (перенапряжений, провалов напряжения, несимметрии фазных напряжений, резонансных явлений от высших гармонических составляющих и других), а также от их случайных совпадений по времени. Установлено, что при отсутствии резервирования к перерывам в электроснабжении приводят отдельные возмущения, причем возможны развития аварий с возникновением сопутствующих негативных факторов, а при выделении из комплекса факторов отдельных воздействий и компенсации наиболее из них опасных таких явлений не наблюдается.
Доказано, что характеристикой обеспечения электрической энергией приемников технологических машин является допустимое время перерывов в электроснабжении, определяемое структурой системы, безотказностью электрооборудования, его резервированием, а также поточно-циклическим характером производства.
4. С использованием разработанной концепции получена и исследована
программа мероприятий обеспечения эффективности функционирования систем
электроснабжения, независимо от их сложности и взаимосвязей электрического
и технологического оборудования:
система выбора мероприятий в аспекте одновременного выполнения требований электротехнического, технологического и экономического характера на основе повышения показателей эффективности функционирования систем электроснабжения, отображающих их безотказность, объем выпуска качественной продукции;
принципы выбора рациональных параметров систем электроснабжения
действующих и проектируемых предприятий посредством обоснованного экономико-математического моделирования, включающего определение структуры системы, регулирование безотказности электрического оборудования, выбор уровней напряжений, применение в зависимости от особенностей протекания технологического процесса вида резервирования и периодичности технических ремонтов, а также детерминированной по уровню воздействия компенсации негативных возмущений.
5. Установлено, что базовые схемы электроснабжения, используемые на крупномасштабных промышленных предприятиях, даже таких как металлургические заводы, не удовлетворяют требованиям ограничения вынужденных остановок электроприемников. Показано, что их сокращение может быть достигнуто, используя оригинальные решения, основанные на разработанной теоретической базе.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: значительным объемом данных хрономегражных наблюдений; адекватностью математических моделей работы электрооборудования и систем электроснабжения реальным условиям эксплуатации; успешной промышленной апробацией разработанного метода оценки влияния безотказности систем электроснабжения и их оборудования на технологический процесс и обоснования мероприятий по повышению безотказности систем; удовлетворительной сходимостью (различие не превышает 7 %) результатов теоретических исследований и данных, полученных путем моделирования на ЭВМ, с экспериментальными данными. Реализация и внедрение результатов работы.
Использование теоретических и экспериментальных результатов работы в области систем электроснабжения и принятые решения по повышению безотказности в обеспечении электрической энергией приемников технологических машин позволило на предприятиях Филиала ОАО «ТГК-4» «Липецкой региональной генерации» от реализации методики, позволяющей оценивать сроки службы изоляционных конструкций при учете дополнительного нагрева получать ежегодный экономический эффект в размере 1310,6 тыс. руб./год., а методики ограничения критических возмущений и нагрузок с неоднородными режимами работы электрооборудования - 214 тыс. руб./год.; на предприятиях ОАО «МРСК Центра» - «Липецкэнерго» за счет способа настройки резонансного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей переменного тока получать 251,2 тыс. руб./год.; способа динамической компенсации амплитудных искажений напряжения - 747,7 тыс. руб./год.; систем диагностики параметров электрических сетей Муниципального унитарного «Жилищно-коммунального предприятия №6» г. Липецка- 1020 тыс. руб./год.; рекомендаций на ОАО «Юговостокэлектромон-таж-1» по обеспечению повышения эффективности функционирования электрических систем с экономическим эффектом в 200 тыс. руб. год; за счет применения на филиале ОАО «СО ЕЭС» «Региональное диспетчерское управление энергосистемы Липецкой области » методики оценки влияния места расположения источников негативных факторов на режим функционирования энергосистем и электрооборудование экономический эффект составляет 937тыс. руб./год.
Теоретические разработки применены при выполнении научно-исследовательских работ по фанту Министерства образования РФ 2002 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук № ТО2-01,5-188 «Влияние высших гармонических составляющих на дугу сталеплавильных печей». Они вошли в учебные пособия «Случайные импульсные потоки в решениях вероятностных» и «Случайные импульсные потоки», которым присвоен гриф УМО, используются в учебном процессе в виде лекций, курсовом и дипломном проектировании, лабораторных работах ЛГТУ и ряде других учебных заведений.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ЛГТУ, всероссийских научно-технических и методических конференциях: XXXVIII Международной научно-студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2000г.; всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии», 26-28 окт. Липецк. 2004 г.; международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии»,2006 г. - Липецк; международной выставки г Интернет-конференции. «Энергообеспечение и безопасность» - Орел: изд-во ОрелГАУ 2008 г.; 1-й международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» 28 марта — 2008г., Тамбов; Международной научно-практической интернет-конференции «Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК» 17—18 марта 2008 г.- Орел; 3-й международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского» 25-26 сентября 2008г. Тамбов; ХХХГХ Всероссийской научно-практической с международным участием конференции по электрификации «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Москва, 2009 г.; 4-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», Орел, 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». «СГАУ» им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2010 г.; XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Национальный исследовательский Томский политехнический университет 12—16 апреля 2010 г.; десятой международной научно-практической конференции «Высокие технологии фундаментальные исследования. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» СПб.,2010 г.; IX-ой международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение -XXI век», Орел, 15 марта - 30 июня 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 монографий. 111 печатных работ, из них самостоятельно 23, 27 в изданиях из перечня ВАК, получено 14 патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации 432с. в том числе 338 с. основного текста, списка использованной литературы из 347наименований, приложений на 50 страницах
