Вариантное проектирование систем теплоснабжения с учетом надежности тепловой сети

Тепловые сети относятся к сложным техническим системам. Отказ или временный выход из строя элемента может привести к аварии, то есть к длительным перерывам в подачи теплоты. Наиболее опасна аварийная ситуация в холодный период года, так как это может привести к замерзанию труб. Поэтому вопрос повышения надежности актуален.

 Согласно нормативным документам должен производиться расчет показателей системы с учетом надежности[1]. Предсказать надежность работы элементов весьма сложно. Она зависит от множества факторов, например, от условий прокладки труб (влажность почв, наличие вблизи прокладки электрокабеля и т.д.), от качества воды-теплоносителя, от качества работы монтажников.

С целью определения показателей надежности тепловых сетей были выявлены основополагающие факторы, влияющие на безотказность системы, посчитана вероятность отказа элементов. На основе этого была построена математическая модель процесса, выведены формулы для расчета показателей надежности [2].

Результаты данных исследований были применены для дипломного проектирования системы централизованного теплоснабжения. Система теплоснабжения закрытая, тип прокладки- канальная. На рис.1 изображена тепловая сеть с узлами теплофикации, компенсаторами, неподвижными опорами.

Показатель надежности системы теплоснабжения R_с.т.(t), согласно [2], определяют как отношение показателя качества функционирования реальной системы к показателю качества функционирования идеальной системы Q_и (t). Идеальная система всегда находится в исправном состоянии и все компоненты равны единице

                                                                  R_с.т.(t)=,                                                              (1)

        Чтобы определить R_с.т.(t) по данной методике нужно посчитать другие величины.

Тепловые сети состоят из следующих элементов; участков теплопроводов, секционирующих и отключающих задвижек, оборудования сетей(см. рис.1). Рассмотрим работу элемента с позиции теории надежности. Элементы работают до отказа. После отказа его выключают из системы, ремонтируют (заменяют) и вновь включают в работу. Последовательность отказов элемента во времени составляет поток отказов.                            Рис.1.Тепловая сеть с изображением узлов теплофикации

 

Поток отказов характеризуется параметром потока отказов ω. Если за время наблюдения Δt (обычно Δt принимают равным одному году) каждый элемент из наблюдаемых отказал m_i раз, тогда

                                                                 ω= ,                                                         (2)

где Δt-период наблюдений, год; m_i-число отказов за Δt; N-число элементов.

Параметр потока отказов теплопроводов обычно, относят к 1 км длины, так как из практики видно, что число отказов в основном зависит от длины участка, влияние диаметра незначительно. В этом случае  

                                                       ω= ω_н.тр·l_тр+ ω_н.зад. ·z,                                                   (3)

где ω_н.тр, ω_н.зад- нормированные значения для трубопровода и стальных задвижек, принимаем по  [2, с.249]; l_тр- длина трубы; z- количество задвижек.

Среднее значение фактически отключаемой мощности при аварийных ситуациях на сетях равно

                                                              Q_ср.ф. =,                                                         (4)

где j-число эквивалентных элементов; n-число возможных аварийных ситуаций; - отражает общее количество отказов в системе за год; ΔQ_j·ω_j- отключаемую тепловую мощность за год в зависимости от частоты отказов эквивалентированного элемента сети j.

Определим среднюю вероятность состояний системы за расчетный период t:

                                                                       1-e ^-∑ωj·t ,                                                                  (5)

Вероятность безотказности:

                                                                 Р_о(t) = 1-e ^-∑ωj·t ,                                                             (6)

Математическое ожидание MΔQ_j ,отражает среднее значение отключаемой тепловой мощности при аварийных отказах на тепловой сети с учетом вероятности каждого отказа:

                                                          MΔQ_j = (1-e ^-∑ωj·t)·Q_ср.ф.,                                                      (7)

Основной показатель надежности системы теплоснабжения:

                                                               R_с.т.(t) = 1-,                                                          (8)

Сравним расчет несколько вариантов прокладки тепловой сети по вышеописанной методике. На рис.2 представлены варианты прокладки данной тепловой сети. Результаты сравнительного расчета по формулам (1)-(8) представлены в табл.1

 

в)

б)

а)

 Рис 2.Варианты прокладки тепловой сети: а) без перемычек; б) с перемычкой на одном участке; в) с перемычкой на двух участках.

 

 

 

                                                                                                      Таблица 1

Результаты сравнительного расчета

 

В данном случае повышение надежности системы  теплоснабжения осуществлялось за счет строительства перемычек между магистралями.  Этот  способ позволяет понизить значение отключаемой тепловой мощности при аварии, тем самым, повышая основной показатель надежности. К тому же, данный вариант экономически выгоднее по сравнению с дорогостоящим методом кольцевания сетей.

Результаты проведенных следований были использованы в дипломном проектировании и позволили выбрать оптимальный вариант тепловой сети с учетом надежности и экономических затрат.

 

Литература

1. СНИП 41-02-2003. Тепловые сети.-М.: Стройиздат, 2003.
2. Ионин А.А. Надежность систем тепловых сетей.-Москва.: Стойиздат, 1989.-268 с.
3. Справочник проектировщика «Проектирование тепловых сетей» под редакцией    А.А. Николаева. Москва, 2007.