Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Научно технические проблемы надежности и экономичности систем электроснабжения объектов газотранспортных систем 10
1.1 Структурные компоненты объектов газотранспортных систем 10
1.1.1 Компрессорные станции магистральных газопроводов 12
1.1.2 Станции подземного хранения газа 20
1.4 Характеристики восстанавливаемых объектов 24
1.5 Основные причины отказа оборудования электротехнических комплексов газотранспортных систем 28
1.6 Анализ существующих вариантов систем электроснабжения газотранспортных предприятий 32
1.7 Анализ нормативных документов регламентирующих надежность систем электроснабжения 34
1.8 Обоснование целей и задач исследования 35
Глава 2 Оценка надежности систем электроснабжения объектов газотранспортных систем 37
2.1 Оценка надежности и структурной избыточности электротехнических комплексов станций подземного хранения газа 37
2.2 Общая характеристика и основные этапы логико-вероятностных методов при оценке надежности сложных систем . 56
2.3 Выводы к главе 2 71
Глава 3 Обоснование структуры Системы электроснабжения с учетом резервных источников питания 73
3.1 Методологические принципы построения схем функциональной целостности структурно сложных систем 73
3.2 Выбор схемы резервирования источников питания систем электроснабжения 76
3.3 Оценка влияния надежности отдельных элементов на надежность системы электроснабжения в целом 79
3.4 Анализ влияния надежности системы электроснабжения на безопасность компрессорной станции «Торжокская» 82
3.4.1 Оценка вероятности развития аварий работающих газоперекачивающих агрегатов из-за срыва электроснабжения 85
3.4.2 Оценка вероятности срыва основного производственного цикла КС «Торжокская» из-за низкой надежности системы электроснабжения 88
3.4.3 Оценка вероятности развития аварий АСГ-1360 из-за низкой надежности системы электроснабжения 92
3.5 Выводы к главе 3 95
Глава 4 Обоснование топологии и параметров Электротехнических комплексов газотранспортных систем удовлетворяющих требованиям структурной достаточности 97
4.1 Структурное и временное резервирование в электротехнических комплексах газотранспортных систем 97
4.2 Алгоритм достижения структурной, параметрической и временной достаточности системы электроснабжения 99
4.3 Результаты логико-вероятностного моделирования в соответствии с алгоритмом поиска рациональной структуры электротехнических комплексов газотранспортных систем 103
4.4 Обоснование рационального варианта электротехнических комплексов газотранспортных систем 107
4.5 Обоснование рационального количества генераторных установок в структуре системы электроснабжения 108
4.6. Технические средства компенсации высших гармоник в кривой тока и напряжения 113
4.7 Обобщенная схема СЭС компрессорной станции с ГПА 114
4.8 Выводы к главе 4 116
Заключение 118
Список литературы
- Станции подземного хранения газа
- Общая характеристика и основные этапы логико-вероятностных методов при оценке надежности сложных систем
- Выбор схемы резервирования источников питания систем электроснабжения
- Результаты логико-вероятностного моделирования в соответствии с алгоритмом поиска рациональной структуры электротехнических комплексов газотранспортных систем
Станции подземного хранения газа
Кроме того, электроснабжение газотурбинной КС может быть реализовано с использование генераторов собственных нужд. При этом в схеме будет предусмотрено два выпрямительных устройства, подключенных к распределительным устройствам - 0,4 кВ цеховой подстанции, одно из них питает двигатели постоянного тока и обеспечивает подзаряд аккумуляторов, другое обеспечивает электричеством системы КИПиА и оперативного тока, аварийное освещение. Выпрямительные устройства резервируют друг друга. При отсутствии питания от выпрямителей, электроснабжение потребителей особой группы осуществляется от аккумуляторных батарей.
В ряде случаев на ГПА устанавливаются генераторы собственных нужд, которых обеспечивают питание всех вспомогательных устройств этого агрегата. Генераторы в автоматическом режиме подключаются к шинам АЩСУ при достижении газоперекачивающим номинальной частоты. При остановке ГПА генератор отключается от шин АЩСУ автоматически и питание электрооборудования агрегата осуществляется от шин 0,4 кВ цеховой ТП.
В зависимости от типа газоперекачивающих агрегатов на компрессорной станции СЭС может видоизмениться [4,16,20,28,66,67,72]. Например, аварийный источник может быть выполнен на напряжение не 6 (10) кВ, а на 0,4 кВ и подключаться непосредственно к шинам распределительного устройства 0,4 кВ. При использовании на агрегатах генераторов собственных нужд, компрессорные станции могут запитываться от одной линии, с установкой аварийного источника электроснабжения. Отличия схемы от типовой вызваны требованиями электроприемников и особенностями размещения рассматриваемых объектов.
Источники электроснабжения КС могут находиться в рабочем режиме, а таже использоваться в качестве нагруженного или ненагруженного резерва, выполняя функции аварийного резерва. Основной и резервный источники питания необходимы для обеспечение нормального технологического процесса. Аварийный должен обеспечить работу потребителей электроэнергии КС при отсутствии напряжения основного и резервного источников в течении 90 минут и остановку ГПА, если электроснабжение от основного или резервного источников не будет восстановлено.
Большинство КС с газотурбинными ГПА имеют такую структуру СЭС, при которой основными источниками являются сети энергосистемы, а аварийным-дизельный или газотурбинный электроагрегат. В качестве аварийного источника наибольшее распространение получили отечественные агрегаты типов АС-804, АС-814 и зарубежные- «Солар», «Викинг». Проанализировав используемы в настоящее время схемы электроснабжения компрессорных станций с различными типами ГПА можно описать их недостатки. На главной понизительной подстанции некоторых компрессорных станций с электроприводными ГПА используется схема с отделителем и короткозамыкателем, которая не обеспечивает маневренности питающих линий и главных силовых трансформаторов. Кроме того при аварийном отключении одной из питающих ВЛ или трансформатора происходит аварийная остановка электропривода ГПА [46]. Коме того в распределительных устройствах КС применяются масляные выключатели, которые имеют среднее время срабатывания 0,25 с; при работе АВР, когда отключается вводной выключатель одной из секций шин и включается секционный выключатель, суммарное время перерыва питания превышает максимально допустимое для электропривода ГПА (0,25 с) [68]. Синхронный электродвигатель выходит из синхронизма, а его самосинхронизация типовой схемой не предусмотрена. Компрессорных станций с газотурбинными ГПА также обладают рядом недостатков [37,72]. При резервировании основных источников аварийным время перерыва электроснабжения имеет большое значение, обусловленное быстродействием систем защит и автоматики, коммутационных аппаратов и временем пуска аварийного источника (20-30 с для дизельных, 30-60 с для газотурбинных электроагрегатов). Следовательно время перерыва электроснабжения при переходе на резерв может составляет от 30 до 70 с. Для некоторых типов ГПА недопустимо такое длительное отсутствие питания, вследствии чего возникает необходимость применения дополнительного источника электроснабжения - генераторов собственных нужд. В системах электроснабжения большинства КС отсутствуют устройства автоматической разгрузки при питании от аварийного источника. Мощность аварийного электроагрегата ограничена (630-1500 кВА) и при отсутствии электроснабжения от основных источников возможны его перегрузки, которые могут привести к вынужденной остановке агрегата и отключению ответственных потребителей. На ряде КС система автоматики построена таким образом, что пуск автоматического ввода резерва производится по сигналу от реле минимального напряжения, которые установлены до вводных выключателей. Это приводит к тому, что АВР не работает при ошибочном или самопроизвольном отключении вводных выключателей.
Наиболее актуальной является проблема повышения надежности электроснабжения компрессорных станций магистральных газопроводов именно с газотурбинными ГПА. Для решения этой задачи необходимо решение ряда вопросов: - переход от электроснабжения от сетей энергосистемы к электроснабжению от собственных источников, - использование аварийных источников, которые имеют меньшее время пуска или находящихся в постоянной готовности к принятию нагрузки, - применение схемы пуска АВР, учитывающей все причины исчезновения напряжения на шинах потребителей, - разделение схемы электроснабжения на группы потребителей, относящиеся к разным категориям, применение устройства автоматической разгрузки при осуществлении питания от аварийного источника.
Общая характеристика и основные этапы логико-вероятностных методов при оценке надежности сложных систем
Математическая сущность логико-вероятностных методов заключается в использовании функций алгебры логики для аналитической записи условий работоспособности или отказа систем и последующего перехода от них к соответствующим расчетным вероятностным моделям. Эти вероятностные модели далее применяются для расчета различных вероятностных показателей надежности, безопасности, эффективности и риска функционирования исследуемых системных объектов. Ниже рассматриваются основные положения
Общего логико-вероятностного метода системного анализа [58,60,78], ориентированного на построение и использование аналитических вероятностных моделей, представляемых в форме многочленов вероятностных функций (ВФ). Событийно-логический подход (СЛП) лежит в основе всех этапов логико-вероятностного моделирования.
Событийно-логический подход является исходным базисом теории, технологии и программных комплексов автоматизированного структурно-логического моделирования. СЛП представляет собой способ мыслительной деятельности людей, в котором на этапе формализованной постановки задачи исходная абстрактная (мысленная) модель системы (знания о системе в голове человека), расчленяется на конечное множество четко определенных простых элементов г = 1,2,...,Я исследуемой системы и соответствующих случайных событий х є X, которые: - в структурной модели исследуемого свойства системы представляются функциональными вершинами с соответствующими номерами і = 1,2,...,Я; в логической модели представляются простыми логическими переменными х = { ,., х,}, і = 1,2,...,Я; - в вероятностной модели представляются вероятностными pi = pi (t) , qt =\-р, и другими собственными параметрами. Таким образом, в СЛП каждый отдельный элемент системы определяется своим номером, функциональной вершиной и соответствующей логической переменной г = 1,2,...,Я, х={хг,х}. (2.3)
В общем логико-вероятностном методе (ОЛВМ) условия реализации системных функций графически представляются с помощью специального логически полного графического аппарата, названного схемой функциональной целостности (СФЦ) [58].
ОЛВМ системного анализа реализуются на практике в виде пяти последовательно выполняемых этапов: I - Выбор прямого, обратного или комбинированного подхода к логико-вероятностному моделированию; II - Формализованная постановка задачи, первичное структурно-логическое моделирование; III - Построение логической функции работоспособности системы; IV - Построение расчетной математической модели системы; V - Выполнение расчетов системных вероятностных характеристик.
Описания содержания указанных этапов иллюстрируется простым примером логико-вероятностного моделирования и расчета показателей надежности системы, которая имеет классическую мостиковую функциональную структуру.
Граф связности и карты состояний мостиковой системы На этом рисунке пронумерованными кружками обозначены вершины, соответствующие событиям безотказной работы элементов исследуемой системы. Вершины 1 и 2 представляют события JC1 и х2 безотказной работы основного и
резервного источников питания, 3, 4 - события х3, х4 безотказной работы первого и второго потребителей, 5 (JC5) - представляют безотказность коммутирующего устройства питания потребителей.
Каждый элемент г = 1,2,3,4,5 в процессе функционирования может находиться только в одном из двух возможных состояний - работоспособности ( хг ) или отказа ( х, ). Каждая вершина графа связности на рисунке 2.5 представляет состояние безотказности соответствующих элементов. Собственные вероятности безотказной работы, т.е. сохранения состояния работоспособности каждым элементом на рассматриваемом интервале t времени функционирования системы обозначаются pi=pi(t), а отказы qi = qi(t) = 1-pi. В рассматриваемом примере требуется найти расчетные выражения (математические модели) для вычисления вероятности PC =PC(t) безотказной работы мостиковой системы, и рассчитать этот показатель при следующих значениях собственных вероятностей безотказной работы каждого элемента:
Общий логико-вероятностный метод, технология и программные комплексы автоматизированного структурно-логического моделирования позволяют пользователю применять (по своему выбору) следующие три подхода к постановке задач, построению математических моделей и расчету характеристик сложных систем.
1. Традиционный прямой подход
При выборе прямого подхода пользователь разрабатывает структурную модель, которая представляет логические условия реализации системой своего функционального назначения, например, ее безотказности, готовности, невозникновение аварий и т.п. В этом случае, если исследуемая системы является монотонной, то разрабатываемая прямая структурная модель, как правило, будет подобной ее исходной функциональной схеме. В логико-вероятностных методах, использующих в качестве структурных моделей блок-схемы и графы связности, может применяться только один прямой подход. 2. Традиционный обратный подход
При выборе обратного подхода пользователь разрабатывает структурную модель, которая представляет логические условия не реализации системой своего функционального назначения, например, ее отказа, неготовности, возникновение аварий и т.п. В этом случае, если исследуемая системы является монотонной, то разрабатываемая структурная модель не является подобием ее функциональной схемы и представляет типовое дерево отказов.
Следует отметить, что при правильном построении прямой и обратной структурных моделей одного и того же свойства системы, результаты логико-вероятностного моделирования и расчетов системных характеристик должны полностью совпадать. Однако трудозатраты и сложность построения прямых и обратных моделей могут существенно различаться. Часто, построить прямые структурные модели (блок-схемы, графы связности) оказывается значительно проще, чем соответствующие обратные модели (деревья отказов) исследуемых системных объектов.
3. Комбинированный (смешанный) подход
Комбинированный подход используется при построении немонотонных структурных моделей различных свойств систем. Он основывается на одновременном, совместном применении прямого и обратного подходов к задачам системного анализа. Блок-схемы, графы связности и деревья отказов могут представлять только монотонные модели свойств систем, т.е. реализуют только прямой, или только обратный подходы.
Универсальность СФЦ заключается в том, что с их помощью могут корректно представляться как все существующие виды монотонных структурных схем различных технологий логико-вероятностного моделирования (блок-схемы, графы связности с циклами, деревья отказов, деревья событий), так и принципиально новый класс немонотонных структурных моделей различных свойств исследуемых систем.
Выбор схемы резервирования источников питания систем электроснабжения
Построение схемы функциональной целостности определяет главное содержание этапа постановки задачи моделирования и анализа исследуемой системы. Нужно учитывать, что построение СФЦ является сугубо творческим, неформальным и, следовательно, абсолютно неалгоритмизируемым процессом. Нет каких-либо общих правил или универсальных инструкций построения СФЦ.
Используя определенные принципы, методические подходы и рекомендации применения аппарата СФЦ для графического описания исследуемых свойств систем, решим задачу логико-вероятностного моделирования.
Аппарат СФЦ является формальным, т.е. математически строгим, что позволяет достаточно точно представлять в структурной модели все существенные логические связи, отношения и зависимости множества случайных событий, обеспечивающие адекватность разрабатываемой СФЦ моделируемому свойству исследуемой системы. [5,6,7,65]
Шаг 1. Выбор подхода к построению СФЦ. Существует три подхода к построению СФЦ – прямой, обратный и смешанный [64].
Прямой подход реализует такой процесс построения СФЦ, который по форме и содержанию соответствует исходному описанию работоспособности (безотказности) объекта. Прямой подход приводит к построению СФЦ, которая по форме близка (подобна) исходной функциональной схеме работоспособности исследуемой системы, представленной на рисунке 3.1.
Обратный подход основывается на обратной логике рассуждений и направлен на построение СФЦ, представляющей условия неработоспособности (аварийности, неготовности и т.п.) системы. Комбинированный подход применяется при построении СФЦ немонотонных моделей сложных системных объектов и процессов. Немонотонными называются системы у которых увеличение надежности элементов приводит к снижению надежности всей системы в целом.
Все энергетические объекты компримирования газа построены по принципу монотонных систем, т.е. увеличение надежности отдельных элементов приводит к увеличению надежности системы.
Для решения задач анализа надежности структурно сложных систем, расчета оптимальных структур энергетических объектов, следует выбирать прямой подход при построении СФЦ.
Шаг 2. Определение элементов структурной модели или непосредственное построение СФЦ. Его главное назначение состоит в определении конечного числа простых (бинарных) случайных событий, которые непосредственно сопоставляются элементам исследуемого системного объекта. Эти события элементы в разрабатываемой СФЦ представляются функциональными вершинами.
На данном этапе следует каждому элементу, представленному на функциональной схеме, строго сопоставить одну функциональную вершину.
Шаг 3. Определение условий функционирования элементов. На данном этапе с помощью входных и выходных ребер (конъюнктивных и дизъюнктивных) обозначаются условия обеспечения работоспособности отдельных элементов и всей системы в целом.
При необходимости используются фиктивные вершины с четко определенным смысловым содержанием и логическими условиями реализации соответствующих выходных функций.
После этого построение СФЦ исследуемой системы считается завершенным.
Шаг 4. Проверка полноты и правильности построения СФЦ. После завершения процесса построения СФЦ разработчик самостоятельно или совместно с другими специалистами выполняет проверку полноты и правильности полученного варианта. В результате этой проверки могут быть приняты следующие решения:
1. СФЦ построена правильно и достаточно полно учитывает все существенные факторы, определяющие логические условия реализации моделируемого свойства системы. В этом случае построение собственно СФЦ считается законченным.
2. СФЦ построена с ошибками или недостаточно полно отражает исследуемое свойство системы. В этом случае, следует возвратиться к какому либо из предыдущих этапов и произвести необходимые исправления. Такая итерационная процедура может повторяться многократно, до тех пор, пока не будет построена правильная и полная СФЦ исследуемого свойства системы.
Следует отметить, что СФЦ – это только графический язык практической реализации событийно-логического подхода при построении структурной логической модели исследуемого свойства системы.
Вся основная творческая часть структурной постановки задачи остается за пользователем, который должен знать исследуемую систему и быть профессионально подготовленным специалистом по исследуемой системе, а также специалистом в области надежности и в области применения теории и технологии автоматизированного структурно-логического моделирования.
Структурная схема в виде СФЦ является аналитически строгой логической формой прямого перехода от абстрактной, мысленной к формализованной, теоретической (математической) постановке задачи моделирования.
С помощью СФЦ, при использовании функций алгебры логики, можно произвести аналитическую запись условий работоспособности или отказа системы в виде логической функции работоспособности (ЛФРС) и, на основе законов теории вероятностей, осуществить строгий переход от ЛФРС к вероятностной функции (ВФ). ВФ и является расчетной моделью для расчета различных вероятностных показателей надежности исследуемых системных энергетических объектов.
Результаты логико-вероятностного моделирования в соответствии с алгоритмом поиска рациональной структуры электротехнических комплексов газотранспортных систем
Для расчета характеристик безопасности системы электроснабжения, как и при оценке надежности, необходимо последовательно реализовать пять этапов логико-вероятностного моделирования, подробно описанных раньше.
Исследуемая система электроснабжения состоит из 34 элементов, указанных вместе с функциональными связями. Большинство элементов и реализуемых ими функций в точности совпадает с элементами предыдущей СФЦ, представленной на рисунке 3.5. Исключения составляют дополнительно введенные два элемента – АДЭС и аккумуляторные батареи, а также появилась дополнительная функциональная связь y36 от фиктивной вершины 36 к фиктивной вершине 38, обозначающая аварийную линию питания потребителей КТП ПЭБ от КТП СН.[5, 44, 63] Для разработки схемы функциональной целостности также выбран прямой подход.
Разработанная СФЦ представляет логические условия не реализации системой своего функционального назначения и возникновения аварий ГПА. Критерий функционирования системы электроснабжения сформулирован как реализация событий системы электроснабжения, приводящих к авариям
ГПА, т.е. когда не реализуется системная функция Т38 = у29-у32-у39-у40-у36 . Другими словами, авария наступает, когда одновременно не реализуются системные функции у29,у32,у39,у40,у36. Для описания условий не реализации указанных функций в СФЦ используются инверсные выходы соответствующих дуг (Рисунок 3.5).
Результаты моделирования с использованием «ПК АСМ 2001» представлены на рисунке 3.5. Рисунок 3.5 - Схема функциональной целостности реализации условий возникновения аварий ГПА по причине нарушения электроснабжения Из анализа результатов системного моделирования вероятности возникновения аварий ГПА, с учетом принятых в таблице 3.3 исходных данных, следует, что вероятность возникновения аварий работающих ГПА по причине срыва электроснабжения составляет РА =3,97321-108 = 0,0000000397321, что составляет пренебрежительно малую величину и полностью соответствует всем требованиям норм безопасности, что сопоставимо с безопасностью объектов атомной энергетики. Обычно для подобных технических систем безопасным порогом считается вероятность с 5-ю нулями после запятой.
Низкое значение вероятности системной функции не позволяет вычислить значения значимостей и вкладов элементов системы в реализацию данного критерия. Причина здесь состоит в том, что указанные значения рассчитываются (см. формулы 3.4 - 3.6) как разность значений системной функции при различных значениях показателей надежности элементов. Оба значения получаются настолько малы, что машина их принимает за ноль, а следовательно и значимости и вклады элементов считаются несущественными - нулевыми.
Нулевые значения значимостей и вкладов свидетельствуют только об одном, что структурная схема системы электроснабжения КС «Торжокская» построена таким образом, что с учетом вычисленных исходных случайных характеристик надежности ее элементов, какие бы значения в смысле надежности эти элементы случайным (стохастическим) образом не принимали - роль и значимость их в обеспечении возникновения аварии ГПА отсутствует. Рисунок 3.6 - Расчетные значения вероятности развития аварий работающих ГПА
«Урал» из-за срыва электроснабжения В данном случае исследован только один фрагмент проявления опасной ситуации – по причине срыва электроснабжения. К сожалению, существует много других причин аварийности ГПА, связанных не только с нарушением электроснабжения. Все они в совокупности обязательно должны учитываться при специальных исследованиях безопасности и безаварийности ГПА.
3.4.2 Оценка вероятности срыва основного производственного цикла КС «Торжокская» из-за низкой надежности системы электроснабжения
Оценка вероятности срыва основного производственного цикла (перекачки газа) КС «Торжокская» из-за нарушения электроснабжения соответствующих потребителей, производится по аналогии с оценкой вероятности аварии ГПА.
Реализация условий срыва производственного по причине нарушения электроснабжения представлена на схеме функциональной целостности (рисунок 3.7). Логическим условием срыва производственного цикла, представленным в виде логического критерия функционирования, является нарушение электроснабжения любого из указанных потребителей: КТП ПЭБ, КТП АВО газа, либо обоих одновременно. Данное условие записывается следующим образом Y38=y36\jy37, что на схеме функциональной целостности представлено в виде соответствующих инверсных дуг.
Результаты расчетов представлены на рисунках 3.6 - 3.8, из которых следует: - вероятность срыва (остановки) основного производственного цикла перекачки газа, из-за нарушений электроснабжения, при расчетных значениях вероятностных характеристиках элементов, представленных в таблице 3.8, составляет РА = 0,00243, или 0,243%. Так как значение вероятности намного выше, чем в предыдущем случае, эта величина является вполне приемлемой, т.к. не несет никаких аварийных последствий; - в виду того, что логическим критерием функционирования было принято условие нереализации своих системных функций системой электроснабжения, значимости и положительные вклады получились со знаком « - », а отрицательные вклады соответственно со знаком « + »;
