Введение к работе
Актуальность работы. Теплоснабжение является важнейшей сферой обеспечения жизнедеятельности населения и развития всех отраслей экономики. Высокая социально-экономическая значимость теплоснабжающих систем (ТСС) предъявляет повышенные требования к их надежности и экономичности. Развитие централизованного теплоснабжения привело к росту масштабов и усложнению структуры ТСС, в связи с чем появилась потребность в эффективных методах оценки и обеспечения надежности их функционирования.
В последние годы актуальность работ по исследованию надежности теплоснабжения возросла в связи с высокой степенью износа теплопроводов и оборудования ТСС (основное оборудование большинства тепловых электростанций построено в середине прошлого века, износ тепловых сетей в среднем по стране составляет 60%), управлением теплоснабжением городов с участием множества собственников в единой системе, а также перспективными направлениями развития энергосистем на основе принципов распределенной генерации и концепции Smart Grid. Это требует разработки и применения новых подходов к оценке и обеспечению надежности этих систем.
Исследования надежности ТСС на основе методов теории надежности технических систем начали развиваться в конце 1960-х годов. В последующий период было проведено большое количество исследований по надежности ТСС, разработаны методики и модели решения задач анализа надежности источников тепловой энергии (ИТ) и тепловых сетей (ТС), подходы к построению ТСС с требуемым уровнем надежности, обоснована система нормативов. Была сформирована информационная база статистической информации по аварийности элементов ИТ и ТС, необходимая для проведения практических исследований.
Вместе с тем на всех этапах исследования надежности ТСС итоговая оценка показателей надежности (ПН) представляет количественное отражение того или иного свойства надежности ее подсистем - ИТ и ТС. В сложившейся проектной и эксплуатационной практике решение задач надежности осуществляется раздельно для этих подсистем как на уровне анализа, так и принятия решений. Разделение задач приводит к получению обособленных результатов, не учитывающих системные (комплексные) факторы надежности ТСС, связанные с взаимовлиянием элементов как внутри системы (наложение отказов элементов ИТ и ТС), так и на уровне последствий послеаварийных режимов потребления тепловой энергии. Наиболее значительно эти факторы проявляются при работе нескольких ИТ на единые тепловые сети.
Надежность теплоснабжения наряду с готовностью и безотказностью элементов ТСС определяется бесперебойностью топливоснабжения ИТ. В настоящее время разработан ряд моделей функционирования систем топливоснабжения (СТС), позволяющих оценить надежность поставок топлива на уровне топливно-энергетического комплекса региона. Результаты таких оценок практически невозможно интерпретировать для анализа влияния СТС на надежность теплоснабжения потребителей ТСС. В связи с этим необходимы специальные подходы, позволяющие учесть влияние возможных дефицитов топлива на не-
доотпуск тепловой энергии от ИТ.
Технологическая связанность, непрерывность и взаимовлияние внутренних и внешних факторов процессов добычи, поставки топлива, производства и распределения тепловой энергии обуславливают целесообразность их совместного исследования с позиций надежности теплоснабжения потребителей, которое бы обеспечило максимальный уровень системности решения задач анализа и синтеза надежности объектов всей рассмотренной технологической цепочки.
Разработка научно-методических подходов, учитывающих перечисленные комплексные факторы надежности, необходима как для развития теоретических методов анализа и синтеза надежности теплоснабжения, так и для решения практических задач в этой области.
Объектом исследования является теплоснабжающий комплекс (ТСК), объединяющий систему топливоснабжения, источники тепловой энергии и тепловые сети (подсистемы ТСК). Предметом исследования является надежность функционирования ТСК и его подсистем.
Цели работы состоят в обосновании и разработке взаимосогласованных методических подходов и методик для постановки и решения задач комплексной оценки надежности теплоснабжающего комплекса и влияния всех его подсистем на надежность теплоснабжения каждого потребителя, а также формирование технических предложений по повышению надежности теплоснабжения потребителей.
Для выполнения поставленных целей необходимо решить следующий комплекс задач:
-
На основе анализа свойств теплоснабжающего комплекса обосновать требования к постановке и методам решения задач расчета и оценки надежности теплоснабжения потребителей.
-
Разработать комплексный подход к анализу надежности теплоснабжения потребителей, обеспечивающий совместное рассмотрение систем топливоснабжения, источников тепловой энергии и тепловых сетей, интегрируемых в теплоснабжающий комплекс.
-
Разработать методику комплексного анализа надежности теплоснабжения потребителей, основанную на вероятностной оценке состояний функционирования ТСК и детерминированном расчете аварийных режимов его подсистем.
-
Предложить модель вероятностного описания состояний функционирования ТСК и его подсистем адекватную условиям их функционирования.
-
Разработать методику оценки дефицитов/избытков топлива, поставляемого наИТ.
-
Предложить методику поиска оптимального уровня повышения элементной надежности подсистем ТСК
-
На основе выполнения практических исследований реальных теплоснабжающих систем показать эффективность предложенных методических разработок и получение с их помощью технических мероприятий по повышению надежности теплоснабжения потребителей.
Методология исследований опирается на основные положения систем-
ных исследований в энергетике, на теорию гидравлических цепей (ТГЦ), математическое моделирование, теорию надежности. Содержательные исследования базируются на вычислительном эксперименте и практических расчетах.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
-
Постановка и структуризация общей проблемы исследования и анализа надежности теплоснабжающего комплекса и его подсистем.
-
Методические принципы и требования, предъявляемые к моделям анализа надежности на современном этапе развития ТСК.
-
Методика комплексного анализа надежности ТСК, учитывающая взаимосвязь всех его подсистем.
-
Вероятностные модели совместного функционирования подсистем ТСК, основанные на марковских случайных процессах.
-
Имитационный алгоритм оценки дефицитов/избытков топлива на ИТ, основанный на методе статистических испытаний.
-
Методика оптимального повышения элементной надежности подсистем ТСК.
Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемая методика комплексного анализа надежности ТСК позволяет проводить предпроектную оценку надежности теплоснабжения потребителей городов с учетом совместного влияния его подсистем (СТС, ИТ и ТС), а также оценку надежности существующих систем с дальнейшим анализом возможностей ее повышения.
В практических исследованиях важное значение имеет используемый в работе узловой принцип оценки надежности теплоснабжения, согласно которому ее уровень определяется для каждого потребителя. Предложенные в работе узловые показатели надежности (ПН) формализованно учитывают теплоаккуму-лирующие свойства зданий и изменения тепловых нагрузок в течение отопительного периода, что максимально приближает уровень проводимых оценок к реальным условиям функционирования ТСС.
Предложенная в работе методика повышения элементной надежности подсистем ТСК также направлена на решение практических задач планирования их эффективного развития с учетом надежности. Выбор решений осуществляется по экономическому критерию, что актуально в практике проектирования и развития реальных систем, когда ограничен объем выделяемых на эти нужды средств.
Проведен комплексный анализ надежности реальной системы теплоснабжения на примере г. Шелехова. Впервые получена декомпозиционная оценка влияния различных подсистем ТСК (СТС, ИТ и ТС) на надежность теплоснабжения потребителей.
Применение предложенных в работе моделей и методов должно способствовать принятию обоснованных решений по модернизации и реконструкции подсистем ТСК с учетом надежности, в том числе при разработке схем теплоснабжения городов.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методологии системных исследований в энергетике, ма-
тематических моделей и закономерностей общей теории надежности технических систем, теории вероятностей и случайных процессов, теории гидравлических цепей, а также фундаментальных закономерностей теплофикации и процессов теплопередачи.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
заседаниях всероссийского научного семинара с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.; оз. Байкал, 2008 г.; г. Ялта, 2010 г.);
заседаниях международного научного семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г. Ялта, 2010 г., оз. Байкал, 2013 г.);
международной конференции «Математические методы в теории надежности. Теория. Методы. Приложения» (г. Москва, 2009 г.);
заседании российско-украинского научного семинара «Стохастическое программирование и его приложения в энергетике» (г. Иркутск, 2012 г.);
заседании всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.);
конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.);
всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2013 гг.).
Всего по теме диссертации сделано 18 докладов.
Личный вклад автора. Результаты работы, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, в том числе в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК - 3, в коллективных монографиях - 3.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 138 страниц. Работа содержит 43 рисунка и 17 таблиц.
