CC BY
26
УДК 629.7.017.3.
В. Ф. Воскобоев, Е. С. Артёменко
О СОВМЕСТНОЙ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Для некоторых вариантов применения теплоэлектростанций на базе газотурбинной установки приведены показатели устойчивости и безопасности их функционирования. Совместный показатель устойчивости и безопасности функционирования представлен в виде функционала, который возможно использовать для оценки рисков, в частности при составлении паспорта безопасности опасного производственного объекта.
Ключевые слова: устойчивость функционирования топливно-энергетического комплекса, безопасность, безопасность функционирования.
V. Voskoboev, E. Artemenko
JOINT EVALUATION OF STABILITY AND SECURITY FUNCTIONING OF THE OBJECTS AT THE FUEL -ENERGY COMPLEX
The article puts forward the indicators of stability and security functioning for some variants of applying co-generation plants on the basis of gas-turbine installation. The joint indicator of stability and security offunctioning describing as a system can be used for risk assessment, in particular in the preparation of safety data sheet of hazardous production facility.
Keywords: stability offunctioning of a fuel and energy complex, security, security offunctioning.
В настоящее время одним из перспективных направлений развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является использование газотурбинных технологий. Газотурбинные установки используются в двух различных схемах теплоэлектростанций (ТЭС): ТЭС на базе газотурбинной установки (ТЭС-ГТУ) и ТЭС на базе парогазовой установки, которая также включает в себя газотурбинную установку (ТЭС-ПГУ). Как правило, ТЭС-ГТУ находят применение в регионах со стабильной тепловой нагрузкой и избытком электроэнергии. При одинаковой выработке тепла выработка электроэнергии в ТЭС-ПГУ в 2 раза больше, чем в ТЭС-ГТУ, поэтому такой вариант более эффективен для районов, где существует определённый дефицит электрической мощности либо отсутствует централизованное электроснабжение.
Для больших городов, имеющих централизованное электроснабжение от нескольких крупных ТЭЦ, при доставке электроэнергии, как правило, используются ЛЭП. Протяжённые ЛЭП существенно влияют на устойчивое обеспечение потребителей электрической энергией. Это обусловлено как отказами на ЛЭП (обрывы, короткие замыкания и т. п.), так и значительными потерями при передаче энергии на большое расстояние [8]. Недостатки ЛЭП особенно проявляются, когда линии проходят в труднодоступной местности, например, в горах.
Одним из целесообразных вариантов удовлетворения непрерывного роста потребности в электрической и тепловой энергии, а также повышения устойчивости обеспечения потребителей энергией является размещение небольшой ТЭС-ГТУ в черте города [9]. Такая ТЭС может использоваться либо во взаимодействии с централизованной системой энергоснабжения, либо автономно. Во время бесперебойного централизованного снабжения города ТЭС-ГТУ может выдавать энергию в общую сеть, но её загрузка по мощности будет не полной. В случае недостатка электро-
2g _
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
энергии возможно увеличение мощности станции, а в случае аварии на ЛЭП город (район города) будет переведён на автономное энергообеспечение от ТЭС-ГТУ.
Вопросы оценки устойчивости функционирования таких систем обсуждались в [1]. В статье рассматривалась простейшая ТЭС-ГТУ и оценивалась её устойчивость функционирования. В качестве показателя устойчивости функционирования использовался коэффициент устойчивости Куст [2], который представляет собой вероятность того, что в произвольный момент времени ^
ТЭС-ГТУ вырабатывает электрическую и тепловую энергию заданных объёмов ЖЭ>ЖЭ0, ЖТ>ЖТ0 при условии, что параметры вырабатываемой электрической и тепловой энергии со находятся в установленных пределах Ктреб. Тогда
К = рЫ > Ж Ж > Ж
уст — " Э 0>' 'Т — ''Т 0
с е К,
треб
(1)
Оценка коэффициента устойчивости вычислялась как доля времени на заданном интервале [0, Тобщ], в течение которой выполняется условие (1):
У т
^^ уст ±
К =
уст
Т.
(2)
общ
где Туст. - отрезки времени, для которых выполняются условия (1).
Количественный анализ, проведённый на основе программы статистического моделирования процесса функционирования ТЭС-ГТУ, обеспечил возможность определения влияния различных факторов на выбранный показатель. Типовыми факторами, влияющими на величину показателя устойчивости функционирования, являются собственная безотказность ГТУ, а также характеристики вспомогательных систем - диагностирования, защиты и восстановления. Из них наиболее существенными с точки зрения влияния на конечный результат являются продолжительность диагностики, длительность восстановления, достоверность обнаружения отказа [3] и срабатывания защиты.
В результате моделирования были получены полиномы второго порядка, позволяющие оценить потенциальные характеристики устойчивости функционирования ТЭС-ГТУ в условиях заданных диапазонов изменения эксплуатационных факторов. Выбор конкретной комбинации значений факторов представляет собой самостоятельную задачу. Один из возможных путей представлен в работе [7].
Важной задачей является оценка безопасности функционирования ТЭС-ГТУ. В соответствии с [6] ТЭС-ГТУ относится к опасному производственному объекту, на котором используется пожаровзрывоопасные вещества - природный газ и трансформаторное масло. Природный газ является основным топливом для ГТУ, при этом на территории ТЭС-ГТУ находится дожимная газовая станция, которая увеличивает давление газа практически в два раза. Трансформаторное масло используется для охлаждения трансформаторов, которые являются неотъемлемым элементом электрической части любой электростанции.
Отказы, которые могут нарушить безопасность станции и создать опасную ситуацию для прилегающей территории (как правило, это городская или промышленная застройка), связаны с
- 29
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
объектами, где используется природный газ (дожимная станция, резервуары сжиженного газа, трубопроводы высокого давления, система образования горючей смеси для ГТУ) или трансформаторное масло (повышающий трансформатор или распределительное устройство для подключения к централизованной сети электроснабжения).
Методика оценки безопасности функционирования ТЭС заключается в анализе последовательности событий от момента возникновения опасности (например, от момента начала утечки газа) и до развития опасной ситуации.
Процесс анализа возникновения опасной ситуации сводится к следующему. Рассматриваются элементы ТЭС-ГТУ, которые используют пожаровзрывоопасные вещества. Для каждого такого элемента выделяются процессы, развитие которых приводит к опасной ситуации, причём эти процессы могут рассматриваться как индивидуально, так и в группе. Существенной характеристикой таких процессов для анализа опасных ситуаций является время достижения траекторий такого процесса некоторого порогового значения, при превышении которого (по абсолютной величине) возникает опасная ситуация. Например, повышается температура трансформаторного масла. Через некоторый промежуток времени температура может достигнуть значения, при котором возникает возгорание масла (пожар).
Для предотвращения появления опасной ситуации используется взаимодействие двух систем - диагностики и защиты. Первая из них должна обеспечить анализ развития траектории опасного процесса, а вторая - по полученному сигналу реализовать необходимые меры защиты (отключение того или иного элемента системы; снижение нагрузки; использование средств, обеспечивающих либо остановку развития опасного процесса, либо такое изменение его траектории, при котором опасные процессы не возникают).
Из изложенного вытекает общая методика анализа опасной ситуации, основанная на моделировании рассматриваемых процессов. Пусть имеем п параметров у, 1=1, ..., п, определяющих возникновение опасной ситуации. Для каждого параметра задаётся пороговое значение у01, превышение которого влечёт возникновение опасной ситуации. При моделировании этих параметров будет известен набор моментов времени 1=1, ..., п}, соответствующих заданным пороговым значениям у01. В случае независимости этих параметров опасная ситуация возникает по такому параметру 1, для которого
*
Ц = тт{г}, 1 = 1, ..., п.
Отсюда следует, что совместные действия систем диагностики и защиты должны быть такими, чтобы суммарное время на анализ ситуации 1д и принятие мер ?защ были бы меньше этого значения . Если имеет место такое соотношение, то будем считать, что опасная ситуация не возникает. Отсюда следует, что условием, определяющим безопасное функционирование ТЭС-ГТУ,
*
является вероятность того, что сумма 1д +t < ti . В общем случае время анализа ситуации 1д зависит от достоверности средств диагностирования Д, т. е. tд=tд(Д).
На основе приведённого анализа можно сформулировать показатель безопасности функционирования ТЭС-ГТУ в виде функционала
Кбез = П^ (Д) + ^ащ < О. (3)
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
Совместный учёт требований устойчивости и безопасности функционирования ТЭС-ГТУ приводит к необходимости одновременного удовлетворения показателей (1) и (3). В общем случае эти требования являются зависимыми - выполнение условия безопасного функционирования возникает в случае функционирования ТЭС-ГТУ. Если ТЭС-ГТУ не функционирует, то, как правило, процессы, приводящие к опасным ситуациям, не имеют места. Тогда показатель совместного безопасного и устойчивого функционирования можно представить в виде функционала:
w = Р{А | В}, (4)
где события А и В обозначают, соответственно, безопасное и устойчивое функционирование.
В качестве первого приближения функционал (4) можно представить в виде:
w = Р{А} • Р{В} =
* (5)
= Р{ЖЭ > Жэо,Жт > ЖтоСе Ктреб }• Р& (Д) + IШщ < £}.
Подобный подход позволяет провести как раздельную, так и совместную оценку безопасного и устойчивого функционирования ТЭС-ГТУ. В качестве математического аппарата, с помощью которого это возможно реализовать, целесообразно использовать статистическое моделирование в комбинации с методами планирования эксперимента.
Полученный комплексный показатель устойчивости-безопасности функционирования ТЭС-ГТУ возможно использовать для оценки рисков, в частности при составлении Паспорта безопасности опасного производственного объекта.
Литература
1. Воскобоев В.Ф., Артеменко Е.С. Некоторые результаты оценки устойчивости функционирования теплоэлектростанции на базе газотурбинной установки // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. - М.: ВЦ РАН. Вып. 9, 2007.
2. Воскобоев В.Ф., Рейхов Ю.Н., Лебедев А.Ю. О выборе показателей устойчивости функционирования объекта ТЭК // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. - М.: ВЦ РАН. Вып. 7, 2005. С. 159 - 168.
3. Воскобоев В.Ф., Лебедев А.Ю., Рынин А.Ю., Слепушкин С.Б. Оценка устойчивости функционирования объектов электроэнергетики // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. - М.: ВЦ РАН. Вып. 7, 2005. С. 169 - 176.
4. Ольховский Г.Г. Энергетические, газотурбинные и парогазовые установки (состояние, перспективы). Итоги науки и техники. ВИНИТИ // Сер. Тепловые электростанции. Теплоснабжение. - 1991. Т. 5. -С. 1 - 184.
5. ГОСТ 13109-97. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
6. Федеральный закон от 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
7. Северцев Н.А. Минимизация обобщенного риска угроз безопасности // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. - М.: ВЦ РАН. Вып. 7, 2005. С. 3 - 10.
8. Железко И.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчёт, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. - М.: НЦ ЭНАС, 2004.
9. Постановление Правительства Москвы от 13 января 2004 г. № 3-ПП "О развитии генерирующих мощностей в городе Москве" (с изменениями от 12 апреля 2005 г.).
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
