Термины и определения из области надежности
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Аксель Иванович Берг. 1893-1979 / [ред.-сост. Я.И. Фет; сост.: Е.В. Маркова, Ю.Н. Ерофеев, Ю.В. Грановский; отв. ред. А.С. Алексеев].– М.: Наука, 2007. – 518 с.
Надёжность и её влияние на технический прогресс с. 224 – 228.
Первым объективным показателем качества готовых изделий должен быть коэффициент надёжности – число, меньшее единицы, выражающее вероятность исправной работы изделия на протяжении заданного времени в заданных условиях.
Обозначим этот коэффициент буквой k1.
k1<1.
Допустим, что необходимо выполнить за время t работу, требующую мощность Р.
Пусть имеется машина, способная развить необходимую мощность Р.
Если машина будет работать исправно на протяжении времени t, то требуемая работа будет выполнена в назначенный срок.
Если же надёжность работы машины определяется коэффициентом k1, т. е. вместо t ч исправной работы машина проработает только t1 ч и остановится.
t1<t.
Но если из t ч машина проработает исправно только t1 ч, то за это время будет выполнена только работа Рt1.
Pt1<Pt.
Таким образом, либо машина с надёжностью работы k1 выполнит заданную работу (соответственно израсходованной на неё электроэнергией) за более длительный срок, либо для выполнения заданной работы в назначенный срок понадобится большее количество ненадёжных машин.
Пример.
Предположим, что необходимо выполнить работу с расходом электроэнергиив W=100 квт∙ч за t=20 ч.
|
|
|
Очевидно, что если имеется совершенно надёжная машина (электродвигатель) мощностью P=5 кВт, то она выполнит эту работу за t=20 ч.
Предположим, что коэффициент надёжности имеющихся электродвигателей меньше единицы и равенk1=0,5.
Тогда одна такая машина проработает, вероятно, исправно только t1=10ч, а неt2=20ч, и выполнит полезную работу (расходуя электроэнергию)W1=50 кВт∙ч.
Поэтому, либо одна такая машина сможет выполнить требуемую работу не за 20, а за 40 ч, либо надо ставить две подобные машины, которые выполнят работу в 100 кВт∙ч за 20 ч.
Так как расход энергии связан с расходом денег, то работа ненадёжных машин потребует больших затрат. Из этого простого примера очевидно, во что фактически обходится работа ненадёжных машин.
Однако одним коэффициентом надёжности оценить качество изделия нельзя.
Предположим, что заказчику достоверно известно, что в настоящее время уровень развития техники таков, что к машине или изделию определённого типа можно предъявить вполне определённые требования.
Показатели, характеризующие это изделие, могут быть самыми различными в зависимости от того, о чём идёт речь. Это может быть цена, мощность за данную цену, вес, долговечность, или коэффициент надёжности.k1
|
|
|
Возможно, что исполнитель, если он не заинтересован материально в продаже или изготовлении вполне доброкачественного изделия, соответствующего сегодняшнему уровню развития техники, и хочет работать с некоторым коэффициентом перестраховки, откажется принять выдвигаемые заказчиком требования и выдвинет со своей стороны несколько пониженные показатели.
Пусть заказ принимается не в соответствии с требованиями заказчика, а с пониженными показателями:
Rизг<Rзаказ.
Назовём отношение принятых показателей коэффициентом соответствия:
.
Этот показатель может характеризоватьвероятность размещения заказа на данное изделие с показателями, соответствующими современным техническим возможностям.
Произведение показателей k1 и k2 характеризует надёжность работы изделия, обладающего пониженными против возможностей техники показателями.
Но известно, что любое изделие может исправно работать на протяжении заданного времени только при условии, периодических ремонтов.
Пусть долговечность или срок службы изделия Т.
За это время оно должно простоять в ремонте tрем ч.
Тогда можно рассчитывать, что оно будет работать с коэффициентом надёжности k1 всего
|
|
|
t1=Т–tрем ч.
Величина
коэффициент готовности (использования).
Произведение трёх коэффициентов
K=k1∙k2∙k3<1
назвается коэффициентом эффективности изделия, так как он характеризует надёжность, соответствие уровню технических возможностей и готовности к работе.
Совсем не всегда нужно стремиться, чтобы этот показатель был равен единице. Вполне достаточно в ряде случаев иметь очень высокую надёжность, и допустимы большие профилактические простои, лишь бы в течение заданного времениобъект работал с надёжностью, например,0,999.
В проблеме надёжности нет важных и неважных вещей. Не все ли равно, из-за чего остановится металлургическое или химическое производство, электростанция, выйдет из строя система связи и т.д.? Важно всё.
Не могу не привести по этому поводу одно английское стихотворение:
Нет гвоздя — нет подковы,
Нет подковы — нет коня,
Нет коня — и нет солдата,
Нет солдата — нет победы,
Нет победы — нету царства.
А виной один лишь гвоздик!
Надежность и ее теория
Советский учёный в области машиноведения, один из создателей теории точности и надёжности машин и приборов, генерал-лейтенант инженерно-авиационной службы академик АН СССР Николай Григорьевич Бруевич (1896 – 1987) говорил: «Надёжность – это качество, развёрнутое во времени».
|
|
|
Теория надёжности –научная дисциплина, в которой разрабатываются и изучаются закономерности отказов и методы обеспечения эффективности работы объектов (изделий, устройств, систем и т.п.) в процессе их разработки, создания, эксплуатации и утилизации.
Основными объектами ее изучения являются:
· критерии и показатели надежности различных технических объектов;
· методы анализа надежности в процессе проектирования и эксплуатации технических систем;
· методы синтеза технических систем;
· пути обеспечения и повышения надежности техники;
· методы обеспечения и повышения надежности;
· научные методы эксплуатации техники, обеспечивающие ее высокую надежность.
Теория надежности как наука и общетехническая комплексная дисциплина имеет ряд особенностей:
· высокая значимость и глубокая связь с другими техническими дисциплинами;
· сложность современных систем и, как результат, большие размерности уравнений, решение которых во многих случаях невозможно даже при использовании компьютерных технологий;
· трудность математического моделирования объектов из-за отсутствия достоверных данных о надежности элементов системы, в частности, данных о законах распределения отказов и восстановлений;
· трудность, а во многих случаях невозможность натурных статистических испытаний из-за технических и экономических ограничений;
· невозможность оценивать надежность новых типов оборудования и установок по существующей эксплуатационной статистике;
· многомерность, многофакторность и многокритериальность задач надежности;
· случайный характер отказов и восстановлений, нестационарность потока отказов;
· необходимость обеспечения высокой точности.
Эти особенности требуют глубокого изучения теории надежности и серьезных научных исследований в этой области.
При оценке, расчете и прогнозировании надежности должны учитываться следующие факторы:
· внешние условия (политическая и экономическая ситуации, атмосферные явления, строительные работы и т.п.);
· уровень эксплуатации (обеспеченность запасными частями, техникой, квалификация обслуживающего персонала, технологическая и трудовая дисциплина);
· качество заводского изготовления оборудования и его элементов (уровень производства, организация системы испытаний на надежность и т.п.);
· приработка и отладка устанавливаемого оборудования (уровень механизации, оснащенность контрольными приборами, качество монтажа и т.д.);
· периодичность и качество профилактического обслуживания (плановые и внеплановые ремонты, ревизии, испытания, диагностика, контроль состояния);
· организация аварийных ремонтов (технология ремонтов, число и техническая оснащенность аварийных бригад);
· организация противоаварийных мероприятий;
· неполнота или отсутствие, неточность и (или) недостоверность зарегистрированных сведений об отказах оборудования определенного вида из-за ограниченного числа объектов, малого срока наблюдений;
· степень соответствия используемой математической модели действительности.
Большинство технических систем, в том числе и ЭЭС и СЭС, относятся к классу так называемых «больших» и (или) «сложных» систем, основными признаками которых являются:
· целенаправленность функционирования в изменяющихся условиях;
· большое число взаимодействующих элементов, включая человека, для достижения поставленных целей;
· большое число изменяющихся параметров элементов и связей между ними, определяющих характер функционирования и его результат;
· управление функционированием и развитием в условиях неоднозначно известного поведения системы и ее окружения;
· развитие во времени целей, возможностей системы и организации управления ею;
· наличие многих критериев для оценки удачности решений по управлению функционированием и развитием.
Для изучения проблем надежности больших технических систем требуется особый, системный подход– средство организации мышления, исходящее из того, что мир системен.Любой выделяемый объект является, с одной стороны, элементом этой системы, а с другой – сам может быть представлен как система. Системный подход подразумевает комплексное, многостороннее рассмотрение объекта исследования с учетом множественности его свойств и неопределенности имеющейся информации.
Проблема надежности в технике и необходимость использования при ее исследовании системного подхода вызвала к жизни такие новые научные направления как физика отказов, техническая диагностика, инженерная психология.
Относясь к инженерным дисциплинам, теория надежности тесно связана с современной прикладной математикой, являющейся средством, с помощью которого в большинстве случаев только и возможна корректная постановка задачи, четкая формулировка условий и допущений, в которых она решается.
Математический аппарат теории надежности основан на применении таких разделов современной математики как, теория множеств, в том числе нечетких; теория вероятностей и математическая статистика; теория случайных процессов; теория массового обслуживания; математическая логика; теория графов; теория оптимизации; теория экспертных оценок и др.
Задачи обеспечения надежного
Электроснабжения
В соответствии с основами системного подхода выделяются две группы процессов, происходящих на объектах энергетики
1. физические процессы: получение, преобразование, передача, распределение, потребление электроэнергии, характеризующие функции объекта, износ и старение оборудования, восстановление ресурса.
2. управленческие процессы: целеполагание и выработка решений, организация, регулирование, благодаря которым физические процессы направляются в определенное русло.
Это позволяет выделить подзадачи
· изучения и описания физических процессов, происходящих на объекте электроэнергетики;
· выработки критериев выбора управленческих решений;
· реализации управленческих решений с максимальной эффективностью.
Эти вопросы решаются на четырех уровнях иерархии управления электроэнергетикой, рис. 1.1.
Рис. 1.1. Упрощенная структура решения задач
надежного электроснабжения
Задачи законодательных органов власти в области учета требований надежности систем энергетики заключаются в разработке и принятии законов и законодательных актов (Закон об энергетике, Гражданский кодекс, Указы Президента, постановления правительства и др.). Это во многом предопределяет организацию энергетики, отношения между субъектами, права, ответственность, нормы и стандарты по надежности, ограничения на использование тех или иных энергоресурсов, энергетическую безопасность страны, регионов и т.д. Эти задачи решаются на основе политических, экономических, социальных и экологических критериев. В результате решения таких задач определяются параметры среды, в которой функционирует и развивается энергетика, формируются требования к надежности ее систем.
Задачи исполнительных органов власти включают разработку и реализацию энергетических стратегий (политик) страны, регионов, установления льгот и ограничений на использование энергоресурсов, их квотирование, установление норм, контроль и регулирование уровня надежности и энергетической безопасности. Эти задачи решаются на основе экономических и экологических критериев, в результате чего уточняются и конкретизируются требования к энергетике, надежности ее систем и агрегатов, выявляются параметры для мониторинга и определяются законы регулирования.
На уровне независимого оператора электроэнергетического рынка возникают задачи надежности, решаемые администратором торговой системы (АТС) и системным оператором (СО).
В перечень задач АТС входит определение состава и объемов необходимых резервов мощности и организация рынка резервов. Решение их осуществляется на основе конкретных ценовых критериев (закона спроса – предложения). В результате их определяются ценовые сигналы по резервам мощности, уточняются их структура, объемы, размещение в энергосистеме.
В число задач СО входит определение рациональных правил, алгоритмов использования выделенных резервов мощности, пропускной способности электрических сетей, в том числе рациональной величины включенного резерва мощности. Кроме того, им решаются задачи оценки рациональных масштабов отключения потребителей в случае дефицитов мощности, разработки систем противоаварийной автоматики (АЧР, САОН и др.), законов регулирования частоты и мощности. Решение этих задач осуществляется на основе экономических критериев и нормативов надежности. В результате чего определяется уровень надежности, который СО может обеспечить потребителям электроэнергии.
В соответствии с существующей структурой электроэнергетического рынка его субъектами решаются 5 групп основных задач.
1. Объединенными генерирующими компаниями (ОГК) определяются и планируются следующие основные показатели функционирования электрических станций:
· структура генерирующих мощностей и единичные мощности агрегатов с учетом их надежности;
· структура резервов генерирующих мощностей (по виду, размерам, размещению по энергоузлам и т.п.);
· схемы коммутации электростанций с учетом надежности;
· системы организации ремонтов оборудования электростанций;
· требования по надежности к поставляемому оборудованию;
· требования по ремонтному обслуживанию, осуществляемому внешними организациями;
· режимы использования оборудования с учетом надежности;
· величина рационально включенного резерва;
· сроки и объемы проведения ремонтов оборудования;
· объемы топлива на складах электростанций.
2. Федеральной сетевой компанией (ФСК) определяются и планируются:
· параметры линий электропередач (пропускная способность, материалы, конструкции т.п.), подстанций и коммутационных (переключательных) пунктов (схемы коммутаций, резервирования аппаратуры, трансформаторов);
· системы ремонтно-эксплуатационного обслуживания электрических сетей (количество и размещение ремонтно-производственных баз, количество подстанций с обслуживающим персоналом на подстанции и на дому, количество оперативно-выездных бригад (ОВБ) и т.п.);
· требования по надежности к поставляемому в электрические сети оборудованию (к коммутационной аппаратуре, трансформаторам, компенсирующим устройствам, арматуре, изоляции и т.п.);
· режимы использования сети с учетом ее надежности, ограничений по пропускной способности;
· ремонтных воздействий (объемов, сроков и т.д.).
3. Задачи сбытовых компаний (СК) к настоящему времени определены еще недостаточно четко. Тем не менее, одной из главных задач их будет распределение энергии, закупаемой СК на оптовом рынке (спотовом, рынке резервов, балансирующем рынке, на бирже) или непосредственно у производителей в свои обязательства перед розничными потребителями. В итоге решения должно быть получено «меню», в котором розничному потребителю предлагается электроэнергия с разными параметрами (разные тарифные системы и ставки в зависимости от различной надежности).
4. Суть задач, решаемых на уровне потребления электроэнергии конкретными потребителями, заключается в выработке решений по установлению договорных отношений с СК, в том числе и по надежности электроснабжения. На основе оговоренных условий происходит выработка решений о степени технологического резервирования, размеров запасов и других мероприятий по снижению ущербов от ненадежности на предприятии потребителя электроэнергии.
Целевое назначение органов Ростехнадзора сводится к контролю состояния, управлению развитием и эксплуатацией энергетических установок. Это позволяет обеспечить максимально возможные в данных условиях их надежность, экономичность и безопасность. Надзор относится к числу функций управления и является составляющей процесса обеспечения заданных целей.
Процесс надзора состоит из установления стандартов и норм, измерения фактически достигнутых результатов и проведения корректировок в том случае, если достигнутые результаты существенно отличаются от установленных стандартов и норм (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Модель процесса надзора
Таким образом, с помощью надзора осуществляется гибкая обратная связь в объекте управления по множеству каналов и параметров.
Основные задачи органов Государственного энергетического надзора заключаются в контроле за
· проведением мероприятий по сбережению топливно-энергетических ресурсов и снижению их расхода на единицу продукции на стадиях добычи (производства) переработки, хранения, транспортировки, реализации, проектирования, изготовления, наладки и эксплуатации энергетического, потребляющего топливо и утилизирующего тепло оборудования;
· обеспечением безопасности основных сооружений электрических станций;
· соблюдением правил устройства электрических установок, правил технической эксплуатации электрических установок, правил пользования электрической и тепловой энергией;
· проведением балансовых энергетических испытаний действующих, вводимых в действие, реконструируемых и модернизируемых энергоемких установок и оборудования;
· эффективностью использования средств, направляемых на цели энергосбережения.
Решение всех перечисленных задач осуществляется на основе экономических и нормативных критериев, функций полезности объектов систем электроэнергетики. Эти критерии определяются особо, на основании специальных исследований и расчетов. Теория надежности служит научной основой деятельности лабораторий, отделов, бюро и групп надежности на предприятиях, в проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организациях.
Математический аппарат теории надежности основан на таких разделах современной математики, как теория вероятностей и математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, математическая логика, теория графов, теория оптимизации, теория экспертных оценок, теория больших систем. С проблемой надежности в электроэнергетике связаны следующие практические задачи:
· статистическая оценка и анализ надежности действующего оборудования и установок;
· нормирование (задание) уровня надежности;
· прогнозирование надежности проектируемого, изготовленного и действующего оборудования и установок;
· техническая диагностика оборудования и установок;
· испытания оборудования и его элементов на надежность;
· расчет и анализ надежности установок и систем;
· обеспечение (синтез) надежности оборудования и установок;
· оптимизация технических решений по обеспечению надежности при проектировании, создании и эксплуатации оборудования, установок, систем;
· экономическая оценка надежности.
Теория надежности вводит в практику инженерного исследования количественные оценки, которые позволяют:
· устанавливать требования и нормативы надежности оборудования для установок и систем;
· сравнивать различные виды оборудования, установок и систем по их надежности;
· рассчитывать надежность установок по надежности их элементов;
· оптимизировать величину необходимого резерва и структуру технических объектов;
· выявлять наименее надежные элементы оборудования, объектов и систем;
· оценивать сроки службы оборудования и установок.
Проблема анализа и расчета надежности систем электроснабжения (СЭС) и электроэнергетических систем (ЭЭС) связана с решением ряда теоретических и практических задач. Для этого необходимо:
· выбрать меру надежности;
· дать математическое описание явлений, связанных с ненадежной работой оборудования и всей установки или системы в целом;
· разработать математическую модель взаимосвязи отдельных явлений, определяющих возникновение повреждений и нарушений работы установки и ее восстановление, как случайный процесс;
· дать предложения по учету надежности в моделях принятия технических решений в проектных и эксплуатационных задачах.
Разнообразие практических задач надежности в ЭЭС и СЭС приводит к необходимости использовать различные качественные и количественные характеристики надежности. Так в процессе их проектирования наиболее часто представляет интерес вероятность безотказной работы в течение определенного интервала времени; при изготовлении и испытаниях оборудования – расчеты, предназначенные для статистического контроля надежности; в период эксплуатации – готовность к использованию, вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени, минимальное время обслуживания, объем необходимого резерва. Общее представление о типовых задачах эксплуатации и проектирования, решаемых при исследовании надежности дано в табл. 1.1.
Типовые задачи, решаемых при исследовании надежности Таблица 1.1.
| Задача | Цель расчета | Исходная информация | Применение результатов |
| Определение надежности существующих систем | Определение количественных характеристик надежности | 1. Количественные характеристики надежности основных и резервных элементов 1. Функциональные связи между элементами 2. Количественные характеристики системы обслуживания | 1. Совершенствование схемного решения 2. Повышение эффективности системы путем организации правильной эксплуатации 3. Обоснование количественных требований к надежности аналогичных систем |
| Определение надежности разрабатываемых систем | 1. Определение количественных характеристик надежности элементов, способных обеспечить выполнение заданных требований 2. Определение оптимальной структуры системы | 1. Количественные требования к надежности всей системы 2. Функциональные связи между элементами 3. Количественные ограничения, накладываемые на систему | 2. Установление количественных требований к надежности отдельных элементов, входящих в систему 3. Выбор подходящих элементов и способов их соединения |
При формировании состава оптимизационных и оценочных задач надежности, решаемых при управлении развитием и эксплуатацией ЭЭС на каждом уровне иерархии управления целесообразно принимать лишь такие решения, которые не могут быть приняты на более низких уровнях (в более поздние сроки или при изучении системы в более узких границах). Отсюда следует необходимость решения на различных уровнях иерархии управления иногда одних и тех же по смыслу задач. В этих случаях при переходе к более низким уровням уточняются, с учетом большей достоверности исходных условий и исходных данных, ранее принятые решения. Систематизированный примерный перечень укрупненных задач представлен в табл. 1.2.
Таблица 1.2.
Оптимизационные и оценочные задачи надежности,
решаемые при управлении развитием и эксплуатацией ЭЭС
| Временной уровень иерархии управления | |||||
| Развитие системы | Эксплуатация системы | ||||
| Прогнозирование: 10 – 20 лет | Прогнозирование: 2 – 10 лет | В длительном цикле регулирования: 1–2 года | В краткосрочном цикле регулирования: до 1 мес. | В суточном цикле регулирования | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| ЕЭЭС | |||||
| 1. Оценка величины, структуры и размещения резервов мощности | 1. Определение величины, структуры и размещения резервов мощности | 1. Распределение резервов мощности по районам системы 2. Разработка программы накопления и использования запасов воды в водохранилищах ГЭС и топлива на ТЭС | 1. Уточнение распределения резервов мощности по районам системы. 2. Расчет необходимого объема, структуры и распределения вращающегося резерва мощности. 3. Уточнение программы накопления и использования запасов воды в водохранилищах ГЭС и топлива на ТЭС | 1.Уточнение необходимого объема, структуры и распределения вращающегося резерва мощности. 2. Оценка допустимости вывода в ремонт оборудования по плановым и аварийным заявкам | |
| Продолжение таблицы 1.2.1. | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 2.Выбор пропускной способности основных ЛЭП | 2. Уточнение пропускной способности основных ЛЭП | 3. Определение пропускной способности основных ЛЭП по условиям устойчивости | 4. Уточнение пропускной способности основных ЛЭП по условиям устойчивости | 3. Определение загрузки основных ЭП | |
| 3. Разработка принципов управления системой в аварийных условиях | 3. Разработка структуры и размещение средств управления в аварийных условиях 4. Определение показателей надежности питания потребителей | 4. Определение алгоритмов и параметров настройки средств управления системой в аварийных условиях 5. Определение показателей надежности питания потребителей | 5. Уточнение алгоритмов и параметров настройки средств управления системой в аварийных условиях 6. Определение показателей надежности питания потребителей | ||
| Продолжение таблицы 1.2.2. | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| ОЭЭС | ||||
| То же, но в границах ОЭЭС | То же, но в границах ОЭЭС | 1.То же, что п.1, но в границах ОЭЭС. 2. Планирование ремонтов основного оборудования 3. То же, что п. 3-5, но в границах ОЭЭС | 1. То же, что п. 1, но в границах ОЭЭС 2. То же, что п. 2, но в границах ОЭЭС 3. Определение времени пуска и останова генерирующих агрегатов (в связи с ремонтами и формирование вращающегося резерва) 4. То же, что п. 3-6, но в границах ОЭЭС | 1. То же, что п. 1-3, но в границах ОЭЭС 2. Уточнение времени и реализации решений пуска и останова генерирующих агрегатов в связи с ремонтами и формированием вращающегося резерва |
| РЭЭС | ||||
| То же, что и ОЭЭС, но в границах РЭЭС
Продолжение таблицы 1.2.3. | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Потребитель | ||||
| 1. Формирование резервов в системе собственных нужд эл. станций и подстанций 2. Определение пропускной способности ЛЭП . 3. Выбор средств управления потребителем в аварийных условиях 4. Оценка показателей надежности потребителей | 1. Планирование ремонтов основного оборудования подстанций и сетевых районов 2. Выбор 3. Определение алгоритмов и параметров средств управления предприятием в аварийных условиях 4. Определение показателей надежности питания потребителей | 1. Планирование ремонтов основного оборудования подстанций и сетевых районов 2. Выбор основного оборудования подстанций и сетевых районов 3. Определение алгоритмов и параметров средств управления потребителем в аварийных условиях 4. Определение показателей надежности питания потребителей | Оценка допустимости и уточнение времени вывода в ремонт основного оборудования подстанций и сетевых районов по плановым и аварийным заявкам | |
ЕЭЭС –единая электроэнергетическая система; ОЭЭС – объединённая электроэнергетическая система; РЭЭС – региональная (районная) электроэнергетическая система.
Основные результаты, получаемые в процессе анализа и решения задач надежности электроснабжения, используются в таких дисциплинах, как «Производство и передача электроэнергии», «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Экономика энергетики», «Релейная защита в ЭЭС и СЭС», «АСУ и оптимизация режимов энергосистем», «Организация и управление предприятиями энергетики», и ряде других специальных дисциплин.
Термины и определения из области надежности
Термин «надежность» отражает объемное понятие, широко используемое в науке, технике, медицине, экономике, экологии, социальной сфере, быту и даже в искусстве и политике, так как во всех этих сферах накоплены определенные знания и практический опыт.
Самое краткое определение понятия надежности принадлежит академику Н.Г. Бруевичу: «Надежность – это качество, развернутое во времени». В соответствии с [35] надежность – свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Из этого определения следует, что надежность – понятие объективное, независимое от нашего сознания.
Поскольку под системой энергетики понимается открытая человеко-машинная производственная система, состоящая из совокупности элементов, предназначенных для добычи (производства, получения), переработки (преобразования), передачи, хранения и распределения соответствующего энергоресурса и снабжения им потребителей, то в качестве этих элементов выступают условно неделимые для данного уровня рассмотрения части системы, предназначенные для выполнения определенных ее функций.
Так, при рассмотрении надежности электростанций ее элементами могут быть отдельные котлы, турбины, генераторы, трансформаторы, системы управления, а при анализе надежности ЭЭС в качестве элементов могут выступать агрегаты электростанций, объединяющие перечисленные составляющие (котлы, турбины и т.д.).
Система энергетики или ее элемент являются объектом энергетики, которые в задачах надежности подразделяют на основные (силовые), сервисные (управляющие), коммутационные и вспомогательные.
Применительно к объектам энергетики их основной функцией является снабжение потребителей соответствующей энергетической продукцией (энергоресурсом) требуемого количества и качества. Невыполнение или неполное выполнение объектом энергетики этой функции имеет место при полном или частичном отказе. Условия функционирования объекта включают внешние условия, которые воздействуют на объект и могут способствовать либо препятствовать выполнению его функций, а также требования к эксплуатационным параметрам объекта.
Состояние любого объекта, в том числе и объекта электроэнергетики описывается множеством параметров x = (x1, x2,…, хi,…,xn), которые могут принимать определенные значения и изменяться во времени – xi(t).
Например, давление в котле, расход топлива, уровень напряжения, величина нагрузки, экономичность и т.п. Надлежащее выполнение объектом своих функций возможно при условии, что все его параметры принимают значения, находящиеся в определенной многомерной области, изменяющейся во времени. В этом случае объект находится в работоспособном состоянии.
Если значения параметров объекта хфакт оказываются за границей допустимой области (xmin – xmax), то в границах временных интервалов t1 – t2 и t3 – t4 объект переходит в неработоспособное состояние (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Иллюстрация работоспособных
и неработоспособных состояний объекта энергетики
Исправное состояние объекта– это такое состояние, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.
В противоположность этому неисправное состояние – состояние при котором он не соответствует хотя бы одному из этих требований.
Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором он способен выполнять все или часть заданных функций в полном или частичном объеме.
В неработоспособном состоянии (неработоспособность) объект не способен выполнять все заданные функции.
К неработоспособным состояниям следует отнести предельное состояние,при котором дальнейшая эксплуатация объекта должна быть прекращена по причинам:
· неустранимого нарушения требований безопасности;
· неустранимого снижения уровня работоспособности
· неустранимого ухода заданных параметров и характеристик за установленные пределы;
· недопустимого снижения эффективности эксплуатации.
· необходимости проведения капитальных ремонтов.
В зависимости от условий эксплуатации и от изучаемого свойства надежности для одного и того же объекта могут быть установлены несколько критериев предельного состояния – признаков, установленных нормативно-технической и (или) конструкторской документацией, а также на основании результатов технической диагностики.
Промежуточным является частично работоспособное состояние объекта (частичная работоспособность) при котором он способен выполнять часть заданных функций в полном или частичном объеме или все заданные функции, но при этом хотя бы одну из них в частичном объеме.
Переход из одного состояния в другое называется событием.
Событие, заключающееся в нарушении исправного состояния системы или ее частей при сохранении работоспособного состояния, называют повреждением.
Общая схема переходов представлена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема перехода состояний объекта
Надежность систем и объектов электроэнергетики характеризуется целым рядом свойств, среди которых рассмотрим основные.
Управляемость – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Следовательно, при выходе значений параметров за допустимую область они могут быть возвращены в нее средствами управления.
Маневренность – свойство объекта изменять значения своих режимных параметров в соответствии с заданной скоростью и в заданном диапазоне (скорость набора или снижения нагрузки, восстановления номинального напряжения и т.п.) при определенных условиях его эксплуатации.
Надежность обладает комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности, и сохраняемости.
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Для количественной характеристики надежности сложных систем в качестве показателей безотказности используют:
· вероятность безотказной работы,
· среднюю наработку до отказа,
· среднюю наработку на отказ,
· среднюю наработку между отказами,
· интенсивность отказов,
· параметр потока отказов.
Противоположный безотказности терминотказ – событие, заключающееся в том, что объект перешел границу допустимой области значений его параметров из работоспособного состояния в неработоспособное и не способен выполнять заданные функции независимо от причины этого перехода.
Основными признаками классификации отказов являются:
· характер возникновения;
· причина возникновения;
· последствия отказов;
· дальнейшее использование объекта;
· легкость обнаружения;
· время обнаружения.
Большинство отказов соответствует следующим определениям:
полные, при которых функционирование объекта невозможно;
частичные, когда объект переходит в частично работоспособное состояние, то есть, за допустимые пределы выходит один или нескольких параметров;
катастрофические,отказы, при которых происходит– внезапный полный отказ (пробой изоляции, короткое замыкание и т.д.);
внезапные, характеризующиеся неожиданным (обычно скачкообразным) снижением уровня работоспособности объекта, при изменении одного или нескольких параметров, определяющих функционирование объекта в нормальных условиях;
случайные, возникающие в фазе нормальной эксплуатации объекта в результате взаимодействия большого числа независящих друг от друга факторов;
постепенные, характеризующиеся постепенным снижением уровня работоспособности объекта при изменении одного или нескольких заданных параметров;
допустимые, не нарушающие выполнение объектом заданных функций, которые объект способен выполнять;
параметрические, когда определяющий параметр (температура, ток, напряжение, сопротивление) непрерывно изменяясь во времени, достигает предельных значений, после чего система перестает выполнять заданные функции;
деградационные,постепенные частичные отказы, обусловленные естественными процессами старения, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации;
связанные со старением –отказы в конце периода эксплуатации в результате усталости, износа, старения материала;
ожидаемые – отказы, наступление которых прогнозируется с соответствующей степенью достоверности;
независимые, то есть не обусловленные отказами других объектов;
зависимые, обусловленные отказом других элементов;
устойчивые, при которых для восстановления работоспособности требуется ремонт объекта;
неустойчивые, при которых для восстановления работоспособности требуется только отключение или изменение режима работы объекта без его ремонта (успешное АПВ);
сбои, самоустраняющиеся отказы, приводящие к кратковременному нарушению работоспособности;
множественные, отказы двух и более объектов или элементов по одной причине (реже по разным причинам), при которых ни одно наступление отказа не является следствием другого;
каскадные, последовательные отказы двух и более элементов, при которых отказ последующего элемента является следствием предыдущего;
перемежающиеся – многократно возникающие, сбои одного того же характера;
приработочные, обусловленные недостаточным качеством изделия, проявляющиеся в начальной фазе его эксплуатации;
конструкционные, возникающие в результате нарушения или несовершенства установленных правил или норм конструирования и проектирования;
производственные, возникающие в результате нарушения или отклонения от установленного процесса изготовления или ремонта;
эксплуатационные, возникающие в результате нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации;
явные, обнаруживающиеся визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования сразу после их появления;
неявные (скрытые), не обнаруживаемые визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностики, для выявления которых требуются специальные методы диагностирования или мероприятия технического обслуживания;
систематические,когда в результате известной взаимосвязи влияющих факторов отказ происходит к определенному моменту времени;
ресурсные, представляющие отказы по долговечности, в результате которых объект достигает предельного состояния;
рыночные, возникающие в результате срыва плановых или договорных обязательств субъектов электроэнергетического рынка;
отказы функционирования, представляющие события, заключающиеся в переходе объекта с одного относительного уровня функционирования на другой, более низкий.
В качестве примера на рис. 1.5 показаны типичные случаи параметрических и катастрофических отказов.
Рис. 1.5. Параметрические, катастрофические и перемежающиеся отказы
Характеристика изменения определяющего параметра П1 соответствует простейшему параметрическому постепенному отказу, а П2 – внезапному, случайному, катастрофическому отказу.
Характеристика П3, также соответствующая параметрическому отказу, типична для случаев, когда определяющий параметр имеет заметную периодическую составляющую, возникающую, например, из-за периодического изменения температуры, нагрузки. В этом случае после возникшего отказа возможен возврат характеристики в допустимые границы, а затем он вновь может возникнуть (перемежающийся отказ).
Характеристика изменения параметра П4 кроме участков, соответствующих его плавному изменению, содержит скачок. Здесь имеет место комбинация параметрического и катастрофического отказов. Характер отказа зависит здесь от того, какое именно изменение (плавное илискачкообразное) привело к выходу параметра за допустимые границы.
Долговечность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности плановыми ремонтами и при техническом обслуживании.
Количественные показатели долговечности:
· ресурс,
· гамма-процентный ресурс,
· средний ресурс,
· срок службы,
· гамма-процентный срок службы.
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (повреждений), к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём проведения технического обслуживания и ремонтов.
Количественные показатели ремонтопригодности:
· время восстановления,
· среднее время восстановления,
· вероятность восстановления.
Для ремонтопригодных объектов существуют следующие определения.
Восстанавливаемость – свойство объекта восстанавливать работоспособность после отказа путем проведения технического обслуживания, ремонтов и (или) управления объектом.
Восстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно технической и (или) конструкторской документации.
Невосстанавливаемый объект не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. В зависимости от ситуации даже один и тот же объект может быть отнесен к тому или иному виду.
Время восстановления – период времени отмомента снижения уровня работоспособности или относительного уровня функционирования до момента восстановления требуемого или относительного уровня работоспособности объекта.
Наработка– продолжительность или объем работы объекта. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, количество энергии), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков).
Различают:
· наработку на отказ,
· наработку до отказа,
· нормативную наработку на событие.
Наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.
Наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.
Нормативная наработка на событие – наработка, в течение которой вероятность возникновения события не превышает заданного значения.
Технический ресурс (ресурс)– наработка объекта от начала его эксплуатации или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние.
Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправное или только работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.
Для количественной характеристики сохраняемости применяют следующие показатели:
· назначенный срок хранения,
· средний срок сохранямости,
· гамма-процентный срок сохраняемости.
Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости.
Гамма-процентный срок сохраняемости – срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью 
, выраженной в процентах.
Показатель надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.
Нормирование надежности – установление в нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации количественных и качественных требований к надежности.
Нормирование надежности включает:
· выбор номенклатуры нормируемых показателей;
· их технико-экономическое обоснование;
· задание требований к объему, точности и достоверности исходных данных;
· формулировку критериев отказов, повреждений, предельных состояний;
· задание требований к методам контроля надежности.
Оценка надежности – определение качественных и (или) количественных значений показателей и характеристик надежности по результатам расчетов, испытаний или эксплуатации.
Период приработки (приработка) – начальный период наработки объекта, в течение которого имеет место устойчивая тенденция к уменьшению потока (интенсивности) отказов, обусловленная устранением скрытых дефектов.
В последнее время особое место стало занимать понятие живучесть, которое представляет активную реакцию объекта при его противостоянии возмущениям за счет рационально организованной структуры управления и целесообразных режимов функционирования, что позволяет противостоять этим возмущениям не допуская их каскадного развития, ограничивая глубину (тяжесть) отказа с возможностью массового нарушения режима электроснабжения потребителей.
Другими словами живучесть – это надежность в особых условиях.
В последнее время сформировалась новая область энергетических исследований, связанных с обеспечением энергетической безопасности (ЭБ) России и регионов.
В самом общем виде безопасность – свойство объекта не допускать ситуаций опасных для людей и окружающей среды.
Энергетическая безопасность – это состояние защищенности граждан, общества, государства, экономики от угроз дефицита в обеспечении их потребностей в энергии экономически доступными энергетическими ресурсами приемлемого качества, от угроз нарушений бесперебойности энергоснабжения. Следует отметить, что в отличие от понятий надежности систем энергетики, понятие ЭБ имеет более общий характер и несет большую смысловую нагрузку, так как ЭБ – атрибут не только энергетики и даже не только производственной сферы, но и общества в целом. Поэтому ЭБ имеет не только технико-экономический, но в определенной мере и политический смысл.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 271; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!