CC BY
25Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2017, 10(8), 1007-1011
УДК 620.9
Reliability of Energy Systems in Far North
Dmitry V. Prokhorov*a, Valeriy А. Prokhorovb and Nikolay А. Petrova
aInstitute of Physical and Technical Problems of the North SB RAS
1 Oktyabrskaya, Yakutsk, 677891, Russia bNorth-Eastern Federal University 58 Belinsky Str., Yakutsk, 677000, Russia
Received 08.08.2017, received in revised form 20.09.2017, accepted 04.12.2017
A complex analysis of accidents in power supply systems in the conditions of the Far North as complex technical systems is given. Based on the accidents description analysis, causes of failures, energy systems recovery time distribution, were analyzed. The recovery time as a measure of reliability is suggested to be used to estimate failures severity.
Keywords: accident, water supply, recovery time, reliability, failure, energy system of the Far North, heat supply, electric power supply.
Citation: Prokhorov D.V., Prokhorov V^., Petrov N^. Reliability of energy systems in far north, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2017, 10(8), 1007-1011. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-8-1007-1011.
Надежность систем энергетики Крайнего Севера
Д.В. Прохоров3, В.А. Прохоров6, Н.А. Петрова
аИнститут физико-технических проблем Севера
им В. П. Ларионова СО РАН Россия, 677891, Якутск, Октябрьская, 1 6Северо-Восточный федеральный университет
им. М.К. Аммосова Россия, 677000, Якутск, ул. Белинского, 58
Приведен комплексный анализ аварий в системах энергоснабжения в условиях Крайнего Севера как в сложных технических системах. На основе описаний аварий проанализированы причины отказов, распределения времени восстановления систем энергетики. Время восстановления как показатель надежности предложено использовать для оценки тяжести отказов.
Ключевые слова: авария, водоснабжение, время восстановления, надежность, отказ, система энергетики Крайнего Севера, теплоснабжение, электроснабжение.
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: prokhorovdv@gmail.com
Обеспечение эффективности и надежности систем энергоснабжения децентрализованных потребителей - острая нерешенная проблема в циркумполярных регионах. Задачи обеспечения энергетической безопасности регионов в зонах холодного климата более подробно обозначены в работе [1]. Надежность систем энергетики как составная часть безопасности определяется способностью непрерывного функционирования их элементов, сопротивляемостью возникающим аварийным ситуациям [2]. Одними из основных показателей надежности являются временные составляющие. Надежность энергетической системы зависит от времени ее восстановления после аварийной ситуации.
Анализ состояния надежности систем энергетики Севера рассматривается на примере Республики Саха (Якутия). Система энергоснабжения на Крайнем Севере состоит из систем электроснабжения и теплоснабжения. Каждая система в свою очередь состоит из подсистем. Для каждой подсистемы заданы определенные функции. Основными элементами системы электроснабжения являются система топливоснабжения, система генерации электроэнергии и система транспортировки электроэнергии, а теплоснабжения - система водоснабжения, система топливоснабжения, система выработки тепла и система транспортировки тепла. Все эти системы эксплуатируются в суровых климатических условиях, состоят из больших подсистем, их отказы вызывают значительные экономические потери для социальной среды.
Для анализа аварийных ситуаций в системе энергоснабжения республики были собраны материалы аварий, зафиксированных МЧС, и создана база данных [3]. Материал по авариям собран за период с 1998 по 2008 г. В описании аварий указано место происшествия, дата и время обнаружения. В некоторых случаях также указана причина аварии, количество пострадавшего населения, причиненный ущерб, время устранения аварии, наличие эвакуации населения. Для представления общей картины причин и последствий аварий в системах энергетики Крайнего Севера, ниже приводятся характерные описания аварий, произошедших в Республике Саха (Якутия).
1. В селе Тополиное 29 декабря 1998 г. из-за поломки глубинного насоса на водозаборе произошло промерзание водовода, в результате остались без тепла 42 жилых дома, 34 объекта соцкультбыта и 5 административных зданий. Пострадавшее население составило 1058 человек, в том числе 414 детей. Людей эвакуировали в пос. Хандыга.
2. В пос. Кысыл-Сыр 7 ноября 2002 г. по причине выхода из строя датчика контроля пламени произошла остановка парового котла. В результате аварии без централизованного тепло- и водоснабжения остались 105 квартир в 46 домах. Ущерб составил 5038,5 тыс. руб.
3. В пос. Тикси 6 февраля 2013 г. по причине отказа автоматики горелки ОПоп-800 произошла остановка котла №1 марки «FR-10», при этом в работе остались два котла марки «ДКВР». Коммунальными службами горелка была заменена на форсунку «Р-200», но замена не дала нужного эффекта. С понижением температуры теплоносителя жителями был произведен слив воды из системы отопления. По причине массового слива теплоносителя произошло завозду-шивание трубы, что привело к частичному нарушению теплоснабжения по стоякам отопления и холодного водоснабжения в девяти жилых домах. Ремонтные работы по отогреву стояков начались с 6 февраля и продолжались до полного восстановления теплоснабжения данных объектов до 12 февраля 2013 г.
Из анализа аварий можно представить особенности и сценарии их развития. Под действием климатических факторов, сильного ветра может произойти падение опор электролиний, обрыв линий, короткое замыкание. Неисправность системы водоснабжения может произойти из-за утечки воды в теплотрассе, ограниченного количества воды в глубинной скважине, понижения уровня рек, замерзания водовода. Протяженность теплотрасс может составлять десятки километров. В условиях низких температур и в ночное время слив воды из трубопровода не всегда обеспечивает возможность предотвращения промерзания теплопровода. Низкая температура способствует промерзанию теплосети и быстрому понижению температуры зданий. На рис. 1 приведена гистограмма распределения отказов в системе энергетики по месяцам года. Как видно из данной гистограммы, интенсивность аварий повышается при низких температурах, т.е.всамые холодн ыемесяцы отопительного зимнегопериодтедекаф^январь).
Аварииводном омъекте, кяк прлкило, сопрцел^аютсяе^ссв^ад^ь^1 м развиеием, приво-дящимк малеовому нарушемию еодачи эокргид поярекиеелим, иековлгулногие нотышают чрезяычайилгяь алкр^йипоо собыенл 1). Iя сх^чаекеблагоприитъкго воздежгтия одного или ^^с^]^(та^1сихе^аакеро^ происходит ркзвитигавмриисиоеемы причем за-
частуюниелюдается оиоергетицоок™ яОфекр От]: атдельное возмущенее ъеясгт не 13.0водить к катастроМшчгскимпослодотвиям, но несколько ч оорокупчкстиня^шоют функционирование влеаеистемЫ] у ■^с^мя случл^кулдаз' ровеньжия^естисистемы ее удое тся во-
Месяцы
Рис. 1. Распределение аварий поме ся цам Fig. 1. Distribution of accidents by month
Таблица 1. Каскадное развитие аварий Table 1. Cascading spread of accidents
Водоснабжение Электроснабжение Топливоснабжение Котельная Тепловые сети Потребители
Водоснабжение 13 3 7
Электроснабжение 7 33 6 19
Топливоснабжение 3 11 4 5
Котельная 79 19 47
Тепловые сети 26 18
DmitryV.Proldrorov,ValrriyA.Prokhorov... Reliability of Energy Systems in Far North
время ввести резервы, авария иринимаетглобальный характер, распространяетсяна другие подсистемы. Наибольшее количество орказср ммрет место ксистемг тепла.
Как видао,аткриысСеспечивающих сивчем внтрявтики отражаются на надежности тепловых сетей. Сеетоватекьис,тепловые сети являются самым слабым звеном по надежности в системе энергетики Соаеем
Время нарвЧ естина отказ как показатель надежоо сти вксючает среднее время восстановления системос Ниже приведены данные исследования по вртмени отказа систрмэнергетики при ниенихтемпеоатурах. По дашым отказа в системе энергоснабжения построены гистограммы времеал во срклновосния ари откознькистемытеираснабжения, системы олектроснаб-жения и системы еердчснабвсснис (рнс.йс4С иа 2011-е 01В гг, Пояло анелиса хартккеристиеа отказов по рееялигс]^1е1ми:Е^'яо]^]^^^ам темени во встеновосния, посчроеже рнтпределение отказов для граничных ннтчсний времени: я, 2Р и Р2 ч, что бслен соатвекствует харавеару распрсееления темперик.рнвве режима иданшн пржгткяянх.
Из данных е татистиеи воери0 виднс^ тот нгибалыпро чисча отказов проиеходир из-за нарушений в системе электрванабжчрия. С])д^^р(^их большка часаь (около 90 °/Ч) виосн^амивает-
26.33
больше 72 часов
Время восстановления Рис. 2. Время восстановленияпри отказе системы теплоснабжения Fig. 2. Recovery time in caseof heatsupplysystem failure
неизвестно
100
о
pq
ö 50
о «
С- ce
5 а
ç os
59
■ lb 3.33 2033
отЗ до б часов от б до 24 часов от 24 до 72
часов
больше 72 часов
Время во сстановленпя
Рис. 3. Время восстановления при отказе системы электроснабжения Fig. 3. Recovery time in case of power supply system failure
неизвестно
Время во сстановленпя
Рис.4. Вреaмя восстановления при отказесистемы водоскабжеиия Fig. 4. Recovery time in caseofwatersupplysystem failure
ся в течение суток. Если в системе теплоснабжения и электроснабжения количество отказов по времени восстановления интенсивно снижается, то для отказов в системе водоснабжения отказы распределяются более равномерно по времени. Для первых двух систем в первые три часа восстанавливаются до 30 % от всех отказов, за 6 ч - восстанавливаются более половины всех отказавших систем. За сутки восстанавливаются 80-90 % от всех отказов. В системе теплоснабжения за 6 часов восстанавливаются примерно 60 % отказавших систем, за сутки - 86 %. Время восстановления за сутки примерно соответствует частичной потере качества теплоснабжения (рис. 1). Если время восстановления превышает одни сутки, то отказ приводит к полной остановке теплоснабжения. При отказах события «тепловой режим не нарушается» или «имеет место частичное снижение температуры в зданиях» в сумме занимают 90 % от всех отказов. Те отказы, которые приводят к полной потере работоспособности, относятся к авариям, так как вызывают в основном продолжительные прекращения подачи энергии.
Надежность элементов системы энергоснабжения зависит от многих факторов, в том числе от климатических и человеческих, абсолютно устранить которые практически невозможно. Аварии и аварийные ситуации наблюдаются каждый год без исключения, и их динамика разнообразна. При низких температурах в системе энергетики имеет место каскадное распространение аварий. Самым слабым звеном по надежности в системе энергетики Севера является система транспортировки тепла. Важный показатель надежности при авариях энергетической системы при низких температурах - время введения системы в работоспособное состояние. Следовательно, время восстановления как показатель надежности можно использовать для оценки тяжести отказов.
Список литературы
[1] Махутов Н.А., Москвичев В.В., Фомин В.М. Создание техники северного исполнения -проблема социально-экономического развития восточных регионов России, Вестник Российской академии наук, 2015, 85(2), 155-163 [Makhutov N.A., Moskvichev V.V., Fomin V.M. Northern Modification Mechanisms Creation - Problem of Social and Economic Development of Russian Eastern Regions, Herald of the Russian Academy of Sciences, 2015, 85(2), 155-163 (in Russian)].
[2] ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд. стандартов, 1990. 38 с. [GOST 27.002-89. Industrial product dependability. General concepts. Terms and definitions, Moscow, Publishing house of standards, 1990, 38 p. (in Russian)].
[3] Прохоров В.А., Иванов В.Н., Попова М.В. Проблема обеспечения безопасности системы теплоснабжения населенных пунктов Якутии, Безопасность труда в промышленности, 2009, 12, 49-52 [Prokhorov V. A., Ivanov V.N., Popova M.V. Safety Ensuring Problem of Heat Supply System in Settlements of Yakutia, Industrial safety in industry, 2009, 12, 49-52 (in Russian)].
[4] Попырин Л.С. Безопасность объектов теплоэнергетики, Теплоэнергетика, 1995, 9, 20-26 [Popyrin L.S. Heat Power Facilities Safety, Thermal Engineering, 1995, 9, 20-26 (in Russian)].
