Анализ совместных состояний энергоблоков ГРЭС Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 621.019

АНАЛИЗ СОВМЕСТНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭНЕРГОБЛОКОВ ГРЭС

А.З. МУРАДАЛИЕВ АзНИПИИ Энергетики, г. Баку, Азербайджан

Показано, что удельное число и средняя длительность совместных состояний энергоблоков ГРЭС, рассчитанных аналитически по показателям надежности энергоблоков, существенно превышают непосредственные экспериментальные данные. Основными причинами расхождения являются предположения об одинаковой надежности и неполный учет нерабочих состояний энергоблоков. Указанное расхождение приводит к увеличению аварийного резерва мощности.

Ключевые слова: удельное число, средняя длительность, нерабочее состояние, совместное состояние.

Под совместным состоянием энергоблоков (ЭБ) ГРЭС в произвольный момент времени * будем понимать реализацию множества возможных сочетаний их рабочих (ЭБ включен в сеть) и нерабочих (ЭБ отключен) состояний. Если обозначить число ЭБ через пб, то у-я реализация этого множества может быть представлена как последовательность состояний, размещенных в порядке возрастания станционных номеров ЭБ, 51,у, £2,у ,.»£п0 . Совместные состояния ЭБ

определяются процессом изменения состояния каждого ЭБ и взаимосвязью состояний ЭБ

Нерабочие состояния подразделяются на следующие типы:

- аварийный простой. Это состояние имеет место при аварийном отключении ЭБ по причинам, не зависящим от надежности его оборудования и устройств (например, при авариях в энергосистеме, отсутствии топлива, коротких замыканиях на распределительном устройстве, куда подключен ЭБ и др.);

- внезапный аварийный ремонт. ЭБ аварийно отключается вследствие отказа его оборудования или устройств. Отключение происходит автоматически или аварийно вручную и определяет аварийный резерв мощности. Внезапные аварийные отключения могут происходить как при внезапных отказах, так и при отказах, обусловленных износом;

- аварийный ремонт при отключении ЭБ по аварийной заявке. Последствия отключения ЭБ в этом состоянии, как правило, существенно ниже, чем при внезапных отключениях;

- аварийный ремонт вследствие отказа при пуске ЭБ. Отказы при пуске обуславливаются некачественным ремонтом или недостатками сохраняемости оборудования при простое ЭБ;

© А.З. Мурадалиев

Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

- аварийный ремонт при повторных отказах. Происходит вследствие некачественного ремонта или недостаточного контроля технического состояния;

- холодный резерв;

- плановый средний ремонт;

- плановый капитальный ремонт.

Отметим одну характерную особенность процесса изменения состояний ЭБ. В целях снижения числа пусков на электростанциях практикуется перевод ЭБ из одного нерабочего состояния в другое. Например, ЭБ из холодного резерва переводится в аварийный ремонт при обнаружении, в результате испытания оборудования и устройств ЭБ, неявных дефектов. Из планового ремонта ЭБ может быть переведен в резерв и т.д.

В настоящее время ГРЭС располагают уникальными статистическими данными, характеризующими предшествующие настоящему моменту изменения состояний ЭБ. На основе этих данных могут быть рассчитаны как усредненные показатели надежности (ПН) ЭБ ГРЭС, так и показатели индивидуальной надежности. Эти данные позволяют определить и ПН, характеризующие совместные состояния ЭБ. Однако ПН совместных состояний, вследствие трудоемкости ручного счета и отсутствия соответствующего программного обеспечения, оцениваются расчетными методами, для которых характерны ряд нередко далеких от действительности допущений. Эти ПН имеют как самостоятельное значение, так и служат основой уточнения аналитических методов расчета, методов имитационного моделирования процесса изменения состояний ЭБ при прогнозировании надежности ГРЭС, анализе динамики изменения необходимого резерва мощности. Большие объемы информации, громоздкость и трудоемкость ручного счета, возможные ошибки требуют разработки специализированных алгоритмов и программ анализа статистических данных и оценки ПН совместных состояний ЭБ, как составной части автоматизированной системы анализа надежности ГРЭС [2].

Алгоритм распознавания типа совместного состояния ЭБ и расчет показателей надежности.

Укрупненная структурная схема алгоритма приведена на рис. 1, а на рис. 2 показаны временные диаграммы некоторых вариантов совместных состояний ЭБ.

Рассмотрим последовательность работы алгоритма для каждого из представленных на рис. 2 вариантов совместных состояний ЭБ. В целях снижения громоздкости выполняемые расчеты представим последовательностью номеров блоков алгоритма.

Пример 1 (рис. 2, а). Рассматривается наиболее простой случай -отключение одного ЭБ в момент Тщ с длительностью простоя т2 : т 1 ^ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,3. т 2 ^ 3,4,5,21,15,16,17,18,20,7,8,9,10,12. т 2 ^ 12,13,14,7,8,9,10,3.

Пример 2 (рис. 2, б). В этом примере рассматривается случай, когда в период простоя одного ЭБ отключается другой ЭБ, причем длительность его простоя не превышает остаточную длительность простоя ранее отключенного ЭБ: т 1 ^ (см. т 1 примера 1). т 2 ^ 3,4,5,21,15,16,17,19,7,8,9,10,11. т 2 ^ 12,13,14,7,8,9,10,12.

т 4 и Т5 ^ (см. Т2 примера 1).

2 Ввод исходных данных 1 Выбор типа решаемой

начальных условий задачи

I

Определение числа ЭБ в реализации ПСС

Чтение данных очередного ¡-го состояния ЭБ из ПС

10

11

\ =1

Регистрация момента возникновения первого совместного состояния ЭБ

Определение длительности совместного состояния ЭБ

3

.да

Рассмотрены все состояния ЭБ

Коррекция числа рассматриваемых нерабочих состояний ЭБ

Занесени совместном эмпиричес сведений о состоянии ЭБ в кую таблицу

г

Определение нового с СОСТО момента начала □вместного янкя ЭБ

1 I-

Необходимость привлечения информации из ПС

23

22

Определение числа одновременно отключенных ЭБ

21

15

16

17 нет

20

14

Моменты отключения ЭБ совпадают

нет

Регистрация момента отключения последнего ЭБ в совместном состоянии

±

±

Ш-

Характеристика очередного совместного состояния не требует привлечения информации из ПС

Ранжировка моментов отключения ЭБ в порядке возрастания

Определение времени завершения совместного состояния ЭБ

да

Рассмотрение реализации совместного состояния ЭБ

Классификация статистических данных ПСС и расчет показателей надежности

Ранжировка моментов пуска ЭБ совместного состояния в порядке убывания

I

Сопоставление моментов пуска и отключения ЭБ в совместном состоянии

Характеристика очередного совместного состояния требует привлечения информации из ПС

Рис. 1. Укрупненная блок-схема алгоритма распознавания типа совместного состояния ЭБ

Рис. 2. Временные диаграммы совместных состояний ЭБ ГРЭС

Пример 3 (рис. 2, в). В этом примере число ЭБ, находящихся одновременно в нерабочем состоянии, равно трем. Кроме того, первый из отключенных ЭБ (например, в резерв) в момент ТН был переведен в иной тип состояния (например, при его пуске произошел отказ одного из элементов и ЭБ был выведен в аварийный ремонт). Алгоритм расчета Т1 и Т2 аналогичен расчету интервалов Т1 и т2 примера 1, алгоритм расчета Т4 -^5 аналогичен расчету т3 примера 2, а алгоритм расчета Тб аналогичен расчету т3 примера 1.

Пример 4 (рис. 2, г). В этом примере в момент Тщ происходит одновременное отключение двух ЭБ, и далее в интервале их простоя происходит отключение третьего ЭБ. Последовательность расчета длительности совместных состояний ЭБ т2 имеет вид

т 2 ^ 3,4,5,21,22,3.

Расчет длительности состояний т3 *тб аналогичен расчету, соответственно, состояний т4 , тб + рис. 2, в.

Таким образом, несмотря на существенное различие вариантов совместных состояний, изображенных на рис. 2, последовательность расчета длительности множества совместных состояний однотипна и, по существу, сводится к расчету длительности совместных состояний, когда:

- все ЭБ находятся в работе;

- число одновременно находящихся в отключенном состоянии ЭБ со временем возрастает;

- то же, но убывает;

- имеет место одновременное отключение ряда ЭБ.

Некоторые результаты расчетов.

Целью этих расчетов является, прежде всего, количественная характеристика совместных состояний и выявление особенностей, которые

© Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

должны быть учтены при имитационном моделировании процесса изменения ПСС с целью прогнозирования надежности ГРЭС. В табл. 1 приведены усредненные показатели совместных нерабочих состояний ЭБ за ряд лет наблюдения, а в табл. 2 - аналогичные показатели за один год эксплуатации.

Данные этих таблиц подтверждают интуитивно понятные значения числа совместных состояний ЭБ. Даже за один год эксплуатации их число исчисляется сотнями.

Представляет интерес закономерность изменения удельного числа совместных нерабочих состояний и средней длительности этих состояний в зависимости от числа одновременно отключенных ЭБ. Казалось бы, чем число одновременно находящихся в отключенном состоянии ЭБ больше, тем удельное число таких совместных состояний будет меньше. То же самое предположение можно сделать и относительно средней длительности совместных состояний. Однако результаты анализа (табл. 1 и 2) свидетельствуют об ошибочности этих предположений. Поскольку число совместных состояний достаточно велико, эти особенности наблюдаются как в табл. 1, так и в табл. 2, то их, очевидно, нельзя объяснить только случайным характером оценок этих показателей.

Что касается относительной длительности совместных состояний, то здесь наши представления о ее монотонном снижении с ростом числа одновременно отключенных состояний ЭБ подтверждаются.

Таблица 1

Характеристика числа и длительности нахождения в отключенном состоянии нескольких энергоблоков

Число Суммарная Число Ср. число Средняя Относит. Относ.вел-на

одноврем. длительн. состоян. состояний длительн. длительн. недоотпуска

отк, ЭБ состояния, (сос.год) состояния, состояния, эл.энергии,

ч ч ч %

0 5918,8 147 21 40,3 9,64 0

1 18765,6 336 48 55,9 30,58 3,82

2 13603,6 381 54 35,7 22,17 5,54

3 13094,3 330 47 39,7 21,34 8

4 8205,5 182 26 45,1 13,37 6,69

5 1395,5 49 7 28,5 2,27 1,42

6 213,8 10 1 21,4 0,35 0,26

7 14,5 1 0 14,5 0,02 0,02

8 0,4 1 0 0,4 0,001 0,001

Коэффициент использования рабочей мощности станции - 74,2%

Таблица 2

Характеристика числа и длительности нахождения в отключенном состоянии нескольких энергоблоков

Число одноврем. отк, ЭБ Суммарная длительн. состояния, ч Число состояний Ср. число состояний (сос.год) Средняя длительн. состояния,ч Относит. длительн. состояния, ч Относ. вел-на недоотпуска эл.энергии, %

0 451,3 15 15 30,1 5,15 0

1 3040,7 29 29 104,9 34,71 4,34

2 1730,2 54 51 33,9 19,72 4,94

3 2811,2 64 64 43,9 32,09 12,03

4 1032,1 29 29 35,6 11,78 5,89

5 8,9 3 3 3 0,0 0,06

6 0 0 0 0 0 0

7 0 0 0 0 0 0

8 0 0 0 0 0 0

Коэффициент использования рабочей мощности станции - 72,7%

Представляет интерес и закономерность изменения относительной величины недоотпуска электроэнергии в периоды отключения нескольких ЭБ. Здесь имеются свои закономерности, отличные от закономерностей изменения удельного числа и средней длительности совместных состояний ЭБ. Если мы вычтем из единицы суммарное значение относительной величины недоотпуска электроэнергии по всем совместным состояниям, то получим составляющую коэффициента использования установленной генерирующей мощности (КИ) на ГРЭС, обусловленной отключением ЭБ. Результаты расчетов показывают, что эта величина по данным табл. 1, составляет 74,2%, а по данным табл. 2 - 72,7%. Если же рассчитать КИ как отношение выработанной за рассматриваемый период электроэнергии к произведению длительности расчетного периода и суммарной мощности ЭБ, то получим, соответственно, КИ=75,1% и КИ=74,7%. Следовательно, КИ примерно на 95% зависит от совместных нерабочих состояний ЭБ. Таким образом, увеличение КИ может быть достигнуто, прежде всего, путем снижения удельного числа и средней длительности непредусмотренных графиком нагрузки нерабочих состояний ЭБ.

Особенностью табл. 1 и 2 является независимость совместного состояния от типа отключения ЭБ.

Учитывая случайный характер возникновения отказов, совместный аварийный ремонт ряда ЭБ может возникать в течение всего периода наблюдения. Однако вероятность совместного нахождения в аварийном ремонте ЭБ зависит как от числа отключенных ЭБ в холодный резерв и на плановый ремонт, так и от результатов восстановления износа.

Одной из разновидностей совместных состояний является одновременное отключение ЭБ при авариях в энергосистеме, связанных с нарушением параллельной работы смежных энергосистем и автоматическим отключением значительной нагрузки, а также при коротких замыканиях на шинах 110 кВ и выше распределительных устройств ГРЭС. Число таких отключений изменяется от (1^ пб ), однако вероятность возникновения заданного числа одновременно отключенных ЭБ, как и следовало ожидать, различна.

Рассмотрим известную методологию аналитического расчета числа и длительности нахождения в состоянии аварийного ремонта нескольких ЭБ и сопоставим эти оценки с реальными данными. По данным одного года эксплуатации наблюдалось 39 аварийных отключений восьми ЭБ со средней длительностью восстановления, равной 67 ч. В семи случаях имело место совмещение аварийных ремонтов двух ЭБ. Следовательно, в среднем происходило 39/8=4,9 аварийных отключений каждого ЭБ в год (первое предположение: показатели надежности всех ЭБ одни и те же). Суммарная длительность простоя одного ЭБ в аварийном ремонте равна 4,9-67=326,6 ч. На этом интервале оставшиеся семь ЭБ могли отказать 326,3-7-4,9/8760=1,28 отк./год (второе предположение: все ЭБ, кроме отказавшего, находятся в работе). Для восьми ЭБ общее число совмещений состояний ремонтов двух ЭБ будет равно 1,28-8=10,2 отк./год. Действительная величина равна 7 отк./год. Средняя длительность состояния одновременного нахождения ЭБ в аварийном ремонте по статистическим данным равна 22 ч., а расчетная величина составляет 67/2=33,5 ч. Если учесть второе предположение, то отмеченное расхождение оценок уменьшается.

Проведем аналогичные расчеты для совместного состояния, в котором два ЭБ выводятся в резерв. За тот же год эксплуатации наблюдалось 51 отключений ЭБ в резерв с средней длительностью состояния 176 ч. В среднем каждый из блоков отключался в резерв 51/8=6,4 раза. Суммарная длительность простоя в холодном

резерве одного ЭБ равна 6,4-176=1126,4 ч. На этом интервале оставшиеся семь ЭБ могли быть отключены (1126,4-7-6,4)/8760=5,8 раз. Для восьми ЭБ общее число совмещенных состояний резерва двух ЭБ равно 5,8-8«46 раз. Действительное число совместных состояний холодного резерва двух ЭБ за рассматриваемый период равно 37. Средняя длительность одновременного нахождения двух ЭБ в состоянии холодного резерва равно 66 ч, а расчетное значение равно 176/2=88 ч. Здесь, как и в предшествовавшем расчете, предполагается, что в период отключения ЭБ в холодный резерв все ЭБ находятся в работе. Кроме того, не учитывается неравномерность отключения ЭБ в холодный резерв в течение года. В частности анализ временных диаграмм отключения ЭБ ГРЭС в резерв показал, что удельное число отключений двух ЭБ в резерв в период март-сентябрь месяцы возрастает, а случаи отключения в резерв трех ЭБ происходят лишь в указанный выше период. Этот процесс носит преимущественно детерминированный характер с тем отличием, что в холодный резерв отключаются наименее надежные и наименее экономичные ЭБ. Именно поэтому отключение конкретного ЭБ в холодный резерв является событием случайным, зависящим от технического состояния ЭБ. Состояние холодного резерва часто используется для проведения текущего ремонта, устранения дефектов, ликвидация которых требует небольшого времени, проведения профилактических испытаний оборудования и устройств.

Рассмотрим еще один характерный пример расчета. Предположим, что один из ЭБ выведен в холодный резерв и в период нахождения этого ЭБ в холодном резерве происходит отключение одного из оставшихся ЭБ в аварийный ремонт. Необходимо оценить показатели надежности этого состояния и сопоставить их со статистическими данными. Этот пример интересен тем, что позволяет проверить предположение о случайном характере отказов ЭБ. Воспользуемся данными предшествующих расчетов. Суммарная длительность простоя одного ЭБ в холодном резерве равна 1126,4 ч. В среднем, наблюдалось 4,9 аварийных отключений каждого ЭБ. Следовательно, число аварийных отключений ЭБ в период нахождения одного из ЭБ в холодном резерве равно 1126,4*4,9*7*8/8760=35,3 отк/год. По данным эксплуатации наблюдалось 23 отк/год. Средняя длительность этого состояния рассчитывается как среднее геометрическое длительностей состояния аварийного ремонта и состояния холодного резерва, т.е. 176*67/(176+67)=48,5 ч. Статистические данные свидетельствуют о том, что средняя длительность рассматриваемого состояния равна 30 ч.

Сравнение расчетных и экспериментальных оценок показателей совместных состояний восьми газомазутных энергоблоков мощностью 300 МВт приведено в табл. 3, Эти данные, в целом, свидетельствуют о том, что погрешность расчета составляет десятки процентов, а расчетные оценки показателей надежности превышают эксплуатационные данные.

Таблица 3

Сравнение расчетных и экспериментальных оценок показателей совместных состояний

энергоблоков

Состояние ЭБ Показатель состояния

Удельное число Длительность состояния

Экспл. Расчетн. Экспл. Расчетн.

Аварийный ремонт одного ЭБ 4,9 - 67,0 -

Холодный резерв одного ЭБ 6,4 - 176,0 -

Совмещение аварийного ремонта двух ЭБ 7,0 10,2 22,0 33,5

Совмещение холодного резерва двух ЭБ 37,0 46,0 66,0 88,0

Совмещение холодного резерва ЭБ с

аварийным ремонтом другого ЭБ 23,0 35,3 30,0 48,5

Наблюдаемое расхождение результатов расчета обуславливается как функциональной, так и статистической составляющими. Значимость функциональной составляющей характеризуется степенью различия реального процесса проявления совместного состояния заданного типа и используемой модели, различием показателей индивидуальной надежности ЭБ. Действительно, чем различие однотипных показателей надежности ЭБ больше, тем меньше оценка показателей, характеризующих совместное состояние ЭБ. Статистическая составляющая наиболее полно проявляется при рассмотрении маловероятных событий, например при расчете средней длительности совместного состояния аварийного ремонта трех и большего числа ЭБ. Влияние статистической составляющей может быть снижено по данным ПСС за несколько лет наблюдения.

Однако увеличение периода наблюдения не всегда целесообразно, т.к. при этом вводится новое предположение о неизменной надежности каждого ЭБ в этом периоде. В условиях, когда срок службы превышает расчетный, это предположение, как правило, неприемлемо. Не учитывается и изменение показателей надежности до и после капитального и среднего плановых ремонтов.

Флуктуации различия сопоставляемых оценок ПН могут быть снижены, если хотя бы учесть различие ПН ЭБ и нахождение ЭБ в нерабочем состоянии, когда анализируемое совместное состояние оказывается невозможным. В то же время, учет этих и ряда других особенностей приводит к громоздкости, трудоемкости и ненаглядности аналитического метода, включая «зеленый свет» для разработки и использования имитационной модели.

Наряду с точечными оценками показателей числа и длительности совместных нерабочих состояний и, в частности, состояний аварийного ремонта, представляют интерес их функции распределения длительности и закономерности изменения числа совместных состояний во времени.

На рис. 3, а, б показаны гистограммы изменения длительности совместного нахождения двух ЭБ в аварийном ремонте и в холодном резерве. Асимметрия распределения длительности аварийного ремонта двух ЭБ (рис. 4, а) объясняется стремлением оперативного персонала максимально ускорить восстановление и быстрее включить в работу один из ЭБ. В летний период при наличии холодного резерва вместо поврежденного ЭБ, как правило, вводится в работу ЭБ, находящийся в холодном резерве. А после восстановления повреждения аварийно отключенный ЭБ, как правило, переводится в состояние холодного резерва. Распределение длительности совместного нахождения двух ЭБ в состоянии холодного резерва, также асимметрично (рис. 4, б). Однако асимметрия распределения в этом случае объясняется зависимостью длительности совместного состояния от времени года. Наибольшие значения длительности наблюдаются в летнем периоде, а наименьшие - в весеннем и осеннем периодах.

Анализ данных ПСС свидетельствует о том, что вероятность возникновения одновременного аварийного ремонта двух ЭБ не зависит от времени года, однако изменяется существенно по годам. Это оказывается заметным при завершении капительных ремонтов ЭБ и особенно заметным - после модернизации ЭБ.

Рис. 3. Гистограммы изменения длительности совместного нахождения двух ЭБ в аварийном

ремонте (а) и в холодном резерве (б)

Выводы

1. Разработан алгоритм и программа анализа совместных состояний ЭБ по данным о состояниях каждого ЭБ. Программа является составной частью автоматизированной системы анализа технического состояния ЭБ ГРЭС [2].

2. Сравнение эксплуатационных данных и результатов аналитического расчета свидетельствует о существенном их расхождении. Основной причиной этому является: неучет различия показателей надежности ЭБ, возможности нахождения ЭБ в плановом ремонте и холодном резерве, взаимосвязи состояний ЭБ, неравномерности возникновения совместных состояний по годам и др. Такое расхождение естественно, поскольку учет этих особенностей намного увеличивает громоздкость аналитических формул, трудоемкость расчета, вероятность возникновения ошибок.

3. Непосредственное сравнение экспериментальных и расчетных данных, флуктуация их соотношения в различные интервалы времени требует применения специального подхода, учитывающего случайный характер оценок показателей надежности.

4. Преодоление методических и информационных трудностей может быть достигнуто на базе имитационной модели, отражающей особенности изменения состояний ЭБ [3].

Обсуждение разработанной авторами имитационной модели выходит за рамки настоящей статьи. Можно лишь отметить, что разработанный алгоритм позволил оценить показатели надежности и их точность для различного числа ЭБ, отключенных в аварийный ремонт, и тем самым решить задачу объективной оценки распределения аварийного снижения мощности ГРЭС.

Summary

It is displayed, that the specific number and average duration of joint estates of power-generating units of the state district power stations calculated analytically on indexes of reliability of power-generating units is essential exceed direct experimental data. Principal causes of a divergence are suppositions about equal reliability and undercount of run-down states of power-generating units. The pointed divergence leads to magnifying of an emergency standby of power.

Key words: specific number, average duration, a non-working estates, a joint estates.

Литература

1. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 200 с.

2. Фархадзаде Э.М., Сафарова Т.Х., Мурадалиев А.З., Рафиева Т.К., Фарзалиев Ю.З. Автоматизированная система анализа индивидуальной надежности и эффективности энергоблоков ГРЭС // Электрические станции. № 11. 2005.

3. Фархадзаде Э.М., Мурадалиев А.З., Рафиева Т.К. Имитационное моделирование состояний энергоблоков. Проблемы энергетики. № 4. 2005.

Поступила в редакцию 25 июня 2010 г.

Мурадалиев Айдын Зураб оглу - канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Надежность энергетического оборудования» АзНИПИИ Энергетики.

Е-та11:ауШп_тигаи@уаЬоо.сот.