СТО 70238424.27.100.011-2008 Тепловые электрические станции. Методики оценки состояния основного оборудования

 

Методические подходы и математические модели по диагностике и

Для анализа и синтезанадёжности, живучести и безопасности

Теплоэнергетических систем

Надёжность теплоснабжения обеспечивается надёжной работой всех элементов системы теплоснабжения, а также внешнихсистем электро-, водо-, топливоснабжения источников тепловой энергии.

Интегральными показателями оценки надёжности теплоснабжения в целом являются такие эмпирические показатели как интенсивность отказов n_от [1/год] и относительный аварийный недоотпуск теплоты Q_ав/Q_расч, где Q_ав – аварийный недоотпуск теплоты за год [Гкал], Q_расч – расчётный отпуск теплоты системой теплоснабжения за год [Гкал]. Динамика изменения данных показателей указывает на прогресс или деградацию надёжности каждой конкретной системы теплоснабжения. Однако они не могут быть применены в качестве универсальных системных показателей, поскольку не содержат элементов сопоставимости систем теплоснабжения.

Для оценки надёжности систем теплоснабжения необходимо использовать показатели надёжности структурных элементов системы теплоснабжения и внешних систем электро-, водо-, топливоснабжения источников тепловой энергии.

Показатель надёжности электроснабжения источников теплоты (К_э) характеризуется наличием или отсутствием резервного электропитания:

‒ при наличии резервного электроснабжения К_э = 1,0;

‒ при отсутствии резервного электроснабжения при мощности источника тепловой энергии (Гкал/ч):

до 5,0 – К_э = 0,8;

5,0 – 20 - К_э = 0,7;

свыше 20 - К_э = 0,6.

Показатель надёжности водоснабжения источников теплоты (Кв) характеризуется наличием или отсутствием резервного водоснабжения:

‒ при наличии резервного водоснабжения К_в = 1,0;

‒ при отсутствии резервного водоснабжения при мощности источника тепловой энергии (Гкал/ч):

до 5,0 - Кв = 0,8;

5,0 – 20 - Кв = 0,7;

свыше 20 - Кв = 0,6.

Показатель надёжности топливоснабжения источников тепла (Кт) характеризуется наличием или отсутствием резервного топливоснабжения:

• при наличии резервного топлива Кт = 1,0;

• при отсутствии резервного топлива при мощности источника тепловой энергии (Гкал/ч):

до 5,0 - Кт = 1,0;

5,0 – 20 - Кт = 0,7;

свыше 20 - Кт = 0,5.

Показатель соответствия тепловой мощности источников тепла и пропускной способности тепловых сетей фактическим тепловым нагрузкам потребителей (Кб).

Величина этого показателя определяется размером дефицита (%):

до 10 - Кб = 1,0;

10 – 20 - Кб = 0,8;

20 – 30 - Кб - 0,6;

свыше 30 - Кб = 0,3.

Показатель уровня резервирования (Кр) источников тепла и элементов тепловой сети, характеризуемый отношением резервируемой фактической тепловой нагрузки к фактической тепловой нагрузке (%) системы теплоснабжения, подлежащей резервированию:

90 – 100 - Кр = 1,0;

70 – 90 - Кр = 0,7;

50 – 70 - Кр = 0,5;

30 – 50 - Кр = 0,3;

менее 30 - Кр = 0,2.

Показатель технического состояния тепловых сетей (Кс), характеризуемый долей ветхих, подлежащих замене (%) трубопроводов:

до 10 - Кс = 1,0;

10 – 20 - Кс = 0,8;

20 – 30 - Кс = 0,6;

свыше 30 - Кс = 0,5.

Показатель интенсивности отказов тепловых сетей(К_отк), характеризуемый количеством вынужденных отключений участков тепловой сети с ограничением отпуска тепловой энергии потребителям, вызванным отказом и его устранением за последние три года

И_отк = n_отк/(3*S), 1/(км*год),

где n_отк– количество отказов за последние три года;

S – протяженность тепловой сети данной системы теплоснабжения, км.

В зависимости от интенсивности отказов (И_отк) определяется показатель надёжности (К_отк)

до 0,5 - К_отк = 1,0;

0,5 - 0,8 - К_отк = 0,8;

0,8 - 1,2 - К_отк = 0,6;

свыше 1,2 - К_отк = 0,5;

Показатель относительного недоотпуска теплоты (К_нед) в результате аварий и инцидентов определяется по формуле:

Q_нед = Q_ав/Q_факт*100 [%]

где Q_ав– аварийный недоотпуск тепла за последние 3 года;

Q_факт– фактический отпуск тепла системой теплоснабжения за

последние три года.

В зависимости от величины недоотпуска тепла (Q_нед) определяется показатель надёжности (К_нед)

до 0,1 - К_нед = 1,0;

0,1 - 0,3 - К_нед = 0,8;

0,3 - 0,5 - К_нед = 0,6;

свыше 0,5 - К_нед = 0,5.

Показатель качества теплоснабжения (К_ж), характеризуемый количеством жалоб потребителей тепла на нарушение качества теплоснабжения.

Ж = Д_жал/ Д_сумм*100 [%]

где Д_сумм– количество зданий, снабжающихся теплом от системы

 теплоснабжения;

Д_жал– количество зданий, по которым поступили жалобы на работу

системы теплоснабжения.

В зависимости от рассчитанного коэффициента (Ж) определяется показатель надёжности (К_ж)

до 0,2 - К_ж = 1,0;

0,2 – 0,5 - К_ж = 0,8;

0,5 – 0,8 - К_ж = 0,6;

свыше 0,8 - К_ж = 0,4.

Показатель надёжности конкретной системы теплоснабжения (К_над) определяется как средний по частным показателям Кэ, Кв, Кт, Кб, Кр и Кс:

,

где n – число показателей, учтённых в числителе.

Общий показатель надёжности систем теплоснабжения поселения, городского округа (при наличии нескольких систем теплоснабжения) определяется:

,

где , ‒ значения показателей надёжности отдельных систем

теплоснабжения;

Q₁, Q_n–расчётные тепловые нагрузки потребителей отдельных систем

 теплоснабжения.

Оценка надёжности систем теплоснабжения:

В зависимости от полученных показателей надёжности системы теплоснабжения с точки зрения надёжности могут быть оценены как:

‒ высоконадежные - более 0,9;

‒ надежные - 0,75 - 0,89;

‒ малонадежные - 0,5 - 0,74;

‒ ненадежные - менее 0,5.

Системы теплоснабжения, признанные по общему показателю надежности высоконадежными и надежными, в части обеспечения элементной надежности внешними системами электро-, водо-, топливоснабжения источников тепловой энергии по п. п. 4.1., 4.2. и 4.3. мугут признаваться ненадежными.

https://pandia.ru/text/78/023/3166.php

 

Энтропийный метод исследования энергетических превращений в теплотехнических системах:

Энтропийный подход связан с различными методами анализа прямых и обратных циклов. Они позволяют на базе первого и второго начал термодинамики найти связи между внешними энергетическими потоками (количествами теплоты и работы) и параметрами системы, а также между некоторыми внутренними параметрами. Посредством анализа энергетического баланса системы, в которой совершается анализируемый цикл, можно вычислить характеризующие его коэффициенты (термический КПД, холодильный или тепловой коэффициенты, коэффициент трансформации и т. д.) и сопоставить их с коэффициентами соответствующих идеальных циклов или цикла Карно.

Такой подход к задаче позволяет определить в данной системе суммарную потерю производимой или затрачиваемой работы вследствие необратимости процессов. Эта сумма потерь может быть разделена на внутренние (связанные с несовершенством процессов самого цикла) и внешние (связанные с характером взаимодействия термодинамической системы с внешними приемниками и источниками энергии). Часто этих данных бывает недостаточно для инженерного анализа системы. В этом случае анализ циклов дополняется подсчетом возрастания энтропии в отдельных частях процесса. Произведение прироста энтропии на температуру окружающей среды дает величину потери работы от необратимости в каждом элементе процесса

Энтропийный метод – это усовершенствованный и далее развитый метод вычитания Клаузиуса. При анализе по этому методу ограничиваются только эксергией теплоты. Последняя (в случае необходимости) используется для подсчета превратимой части теплоты исключительно на входе и выходе из рассматриваемой установки. Стержнем энтропийного метода служит система коэффициентов эксергетических потерь [10]. Метод вычитания Клаузиуса не нуждается в полном исследовании и расчете всех потоков эксергии, движущихся в рассматриваемой установке. Он довольствуется вычислением эксергии теплоты только на входе в энергетическую установку. В том случае, когда установка должна куда-либо отдавать полезно используемую эксергию теплоты (например, при теплофикации, отоплении тепловым насосом), иногда целесообразно вычислять еёэксэргии. В результате вычитания эксергетических потерь от эксергии теплоты, введенного в установку (цикл), остается реальная работа или эксергия отданной потребителю теплоты, или то и другое вместе. Сколько бы потоков рабочих тел не проходило через данный узел, какие бы процессы в нем ни совершались, любые эксергетические потери узла D неизменно вычисляются по формуле

где G_i^y s_i^y – расход среды и энтропия i-го потока на выходе из узла;

G_i^в s_i^в– расход среды и энтропия i-го потока на входе в узел;

Q_о.с. – теплота, передающаяся окружающей среде;

в общем случае m ≠ n.

Метод вычитания Клаузиуса имеет и существенный недостаток: он не подходит для анализа установок, действующих по обратным циклам (т. е. теплонасосных и холодильных машин), так как для последних реальная затраченная работа равна не разности, а сумме идеальной работы, затраченной в обратимом цикле, и всех эксергетических потерь. Для последних вместо метода вычитания действует метод сложения.

Во всех случаях (кроме геотермальных, утилизационных или холодильных абсорбционных установок, которые получают теплоту греющего пара извне) эксергетические потери в общем балансе следует вычитать из подведенной к установке организованной энергии. Тогда в цепь эксергетических потерь метода вычитания необходимо добавить еще одно важное звено: эксергетическую потерю, вызванную переходом организованной энергии в теплоту.

Рис. 2 – Эксергетическая потеря от перехода

организованной энергии в теплоту

Таким образом, в самом общем случае эксергетические потери в установке появляются в следующих случаях. 1. При переходе организованной энергии в теплоту. Это имеет место при горении, когда химическая энергия переходит в теплоту или при переходе ядерной энергии в теплоту. На рис. 1 площадь 1ʹ-1-2-2ʹ может условно изображать химическую энергию органического топлива. Если она целиком переходит в теплоту, то превратимая часть её выражается эксергией, изображенной площадью 1ʺ-1-2-2ʺ, а площадь 1ʹ-1ʺ-2ʺ-2ʹ показывает непревратимую часть теплоты (анергию) и равна эксергетический потере, вызванной необратимым переходом организованной энергии в теплоту. То же имеет место при переходе ядерной энергии в теплоту или механической энергии в теплоту при сжатии вкомпрессоре. Энтропийный метод исходит из того, что термодинамические категории (энтальпия, энтропия, температура, теплоёмкость, эксергетические потери, эксергия) имеет смысл применять с того момента, когда появляется теплота. Поэтому если в установку вводится организованная энергия, то при переходе ее в теплоту эксергетическая потеря вычисляется согласно рис. 1, как Dо.с. = Tо.с.Δгs, а все последующие эксергетические потери по уравнению (1). 2. При неравновесном теплообмене между рабочим телом и другими телами или между отдельными частями рабочего тела. 3. При трении рабочего тела о стенки каналов и частей рабочего тела друг о друга. Сюда же относятся гидравлические потери и дросселирование. 4. При механических и электрических потерях. 5. При смешении разнородных теплоносителей. Здесь следует указать, что при вычислении механических потерь или потерь в генераторе электрического тока непосредственно переходящих в окружающую среду в виде Qо.с., в уравнении (1) будут отсутствовать члены, входящие в скобку. Значение Qо.с. вычисляется как разность между внутренней работой и работой на валу или разностью между механической энергией, подводимой к ротору электрогенератора, и электрической энергией на его клеммах [10]. Обозначим вводимую в установку превратимую энергию через Wʹ. Для энергетической силовой установки она представляет собой организованную энергию (химическую энергию органического топлива, ядерную энергию и т. п.). Для холодильной компрессорной установки она означает электрическую или механическую энергию. Для холодильной абсорбционной установки вводимая превратимая энергия – это эксергия теплоты, подведенной к генератору (кипятильнику). Для теплонасосной установки вводимая в установку превратимая энергия состоит из суммы электрической энергии и эксергии утилизируемого тепла (Еут) низкопотенциального источника. Для теплообменного аппарата Wʹ означает эксергию подведенной к аппарату теплоты. В итоге схема энергетического баланса для условной обобщенной энергетической, холодильной и теплонасосной установок будет иметь вид, показан-ный на рис. 2. В общем случае Wʹ переходит в теплоту, имеющую эксергию Еʹ. Этот переход сопровождается эксергетической потерей Dо.с.. В том случае, когда Wʹ = Еʹ, потеря Dо.с. = 0. Пунктирные прямоугольники на рис. 2 условно обозначают узлы, в которых имеют место те или иные необратимости. Число узлов в установке равно п. Любой из узлов может быть местом одной или нескольких необратимостей.

Рис. 3 – Схема энергетического баланса по энтропийному методу

 

Любая теплоэнергетическая, холодильная или теплонасосная установка выдает в виде продукции превратимую энергию Wʺ. Последняя для теплоэнергетической установки, не имеющей функции теплоснабжения, означает выработанную электроэнергию Wэл. Для комбинированной энергетической установки Wʺ равна сумме Wэл и Еʺ – эксергии теплоты, отданной потребителю. Для холодильной и теплонасосной установок Wʺ равна эксергии теплоты, переносимой от менее нагретого тела к более нагретому. Для любых установок справедливо равенство

Уравнение служит основой эксергетического баланса. Его структура не имеет потоков, замыкающихся сами на себя, что чрезвычайно упрощает анализ и делает картину использования превратимой энергии в установке чёткой и универсальной. Кардинальное значение для анализа имеет влияние каждой отдельно взятой необратимости на перерасход энергии, вводимой в установку. Это влияние количественно учитывается при помощи абсолютного коэффициента эксергетический потери, под которым понимают отношение данной эксергетический потери Di к Wʹ

 

Здесь Ψi – абсолютный коэффициент эксергетической потери i-го узла. Потеря Di (как и Ψi) может относиться как к отдельному процессу, так и к сумме нескольких процессов. Вследствие аддитивности энтропии суммарная эксергетическая потеря D установки всегда равна арифметической сумме эксергетических потерь всех процессов в установке. Это позволяет записывать полный коэффициент эксергетических потерь установки в виде

Для идеально работающего узла Ψ0i = 0. Уменьшение Ψ0i еще не говорит об экономии расходуемой превратимой энергии, во-первых, потому что Ψ0i не указывает, какой удельный вес имеет эксергетическая потеря данного узла в КПД всей установки, и, во-вторых, потому что уменьшение Ψ0i в одном узле вызывает его увеличение в другом узле. Поэтому роль Ψ0i в полном термодинамическом анализе установки невелика.

Для термодинамической оценки эффективности системы (установки) следует ответить на четыре вопроса, а именно: - насколько велик КПД обратимого цикла установки, от каких факторов он зависит и что следует предпринять для его увеличения; - насколько велики потери от необратимости в реальной установке; - как распределяются эти потери по отдельным элементам установки; - на усовершенствование какой части установки следует обратить внимание с целью уменьшения степени необратимости, в частности увеличения КПД цикла, по которому работает установка [14].

В процессе эксплуатации тех или иных установок вследствие неизбежного постепенного износа их узлов и деталей, изменения качества изоляции и ряда других причин производство энтропии может увеличиваться, что снижает эффективность, т. е. уменьшает степень термодинамического совершенства установок.

Обобщающий термин «энергетические потери» подразумевает по отношению к высокотемпературным теплосиловым установкам потери собственно работы и работоспособности, обусловленные производством энтропии (другими словами величину недополученной работы). По отношению к низкотемпературным холодильным и криогенным установкам этот термин определяет необходимые затраты работы (электроэнергии) для компенсации производства энтропии (или затраты теплоты высокого потенциала, обладающей необходимой величиной работоспособности). Компенсация производства энтропии в низкотемпературных установках обеспечивает поддержание рабочих процессов генерации холода в установившихся режимах.

Очевидно, при Ттр = То.с. необходимая затрата электроэнергии будет тождественно равна теплоте трения, т. е. работе трения. При понижении температуры в зоне трения затраты работы, как это следует из уравнения (27), будут существенно увеличиваться, особенно при малых значениях х ηт.Т, характерных для криогенных установок при очень низких температурах (см. рис. 3)

Рис. 4 – Среднестатистические (экспериментальные) значения степени

термодинамического совершенства энергетических установок (Т_о.с.=300К):

 1 – низкотемпературные установки для генерации холода при Тх;

2 – теплосиловые установки для генерации работы (электроэнергии) при температуре источника теплоты Тг.

 

Неравновесный теплообмен в высокотемпературных энергоустановках между двумя подсистемами с температурами: Т_г1> Т_г2> Т_о.с.. Величина производства энтропии при неравновесной передаче теплоты q с уровня Т_г1 на уровень Т_г2 составит:

Теоретическая величина потери работоспособности в будет:

Т_{.о теор}Dl равна разности величин работы, которая могла бы быть произведена в теплосиловых установках, где цикл Карно осуществляется в интервалах температур Тг1…То.с. и Тг2…То.с..

для циклов низкотемпературных установок, работающих от подводимой теплоты, безразлично, каким путем или способом эта теплота была получена. Принципиально важно, чтобы подводимая теплота обладала работоспособностью, за счет которой могут быть компенсированы как необходимые минимальные затраты работы для достижения желаемого технологического результата å min l, так и затраты работы, необходимые для компенсации производства энтропии вследствие необратимости реальных рабочих процессов åD i Т s о.с.. Исходя из этого, можно определить как теоретическую величину необходимого количества теплоты, так (в первом приближении) и ее действительное значение.