ОБ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 519.8

ОБ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

А.Ю. Лебедев

кандидат технических наук,

профессор кафедры (устойчивости

экономики и систем жизнеобеспечения)

Академия гражданской защиты МЧС России

Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки,

мкр. Новогорск

E-mail: а.lebedevQamchs.ru

H.H. Морозов

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки, мкр. Новогорск

E-mail: morozov-2006Qyandex.ru

Аннотация. В статье рассматривается задача оценки влияния факторов чрезвычайноых ситуаций на устойчивость функционирования системы теплоснабжения муниципального образования. Предполагается, что факторы ЧС приводят к увеличению таких показателей, как время диагностирования и восстановления этого объекта. Получены аналитические выражения зависимости показателя устойчивости функционирования объекта электроэнергетики от этих показателей. Приведен пример. Предполагается, что факторы ЧС приводят к увеличению времени восстановления и снижению достоверности оценки технического состояния. Ключевые слова: устойчивость функционирования, система теплоснабжения, факторы ЧС. Цитирование: Лебедев А.Ю., Морозов Н.Н. Об оценке устойчивости функционирования системы теплоснабжения муниципального образования в чрезвычайных ситуациях // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020. № 4 (47). С. 21 - 31 .

Введение

Значительную роль в вопросе организации жизнеобеспечения населения играют объекты системы теплоснабжения муниципального образования. Особенно это актуально в холодное время года.

В соответствии с [1] под теплоснабжением понимается обеспечение тепловой энергией потребителей с заданными показателями качества.

В связи с особенностями климатических условий на территории Российской Федерации бесперебойное обеспечение населения и промышленности тепловой энергией является актуальной социально значимой задачей.

Особенно важным является обеспечение устойчивого теплоснабжения социально значимых категорий потребителей. Перечень таких категорий определен [2].

В соответствии с [2] к наиболее важным категориям потребителей относятся:

органы власти различного уровня;

организации и учреждения медицинского профиля;

учреждения Министерства просвещения РФ;

объекты социальной защиты населения;

части и организации МО РФ, МВД, ФСБ, МЧС, ФСО РФ;

учреждения и организации УФСИН; объекты использования атомной энергии; объекты военно-промышленного комплекса, в т.ч. с непрерывным технологическим процессом;

объекты сельского хозяйства; объекты транспортной инфраструктуры. Система теплоснабжения муниципального образования включает в себя следующие основные элементы:

_ источник тепла (ТЭЦ, котельная или другие виды источников);

_ тепловые сети, по которым теплоноситель транспортируется от источника к потребителю;

_ тепловые пункты;

_ потребители тепла (радиаторы, калориферы и др.).

Системы теплоснабжения муниципальных образований бывают двух основных видов -системы местного (СМТ) и централизованного теплоснабжения (СЦТ). СМТ обеспечивает тепловой энергией, как правило, одно здание. СЦТ обеспечивает микрорайон либо целый населенный пункт.

В настоящее время отпуск тепла потребителям муниципальных образований в основном производится от достаточно мощных систем централизованного теплоснабжения (СЦТ).

Структурно системы теплоснабжения населенных пунктов подразделяются на зависимые и независимые в зависимости от схемы присоединения установок отопления.

В статье предлагается методика оценки устойчивости функционирования системы теплоснабжения населенного пункта с оценкой влияния эксплуатационных факторов, а также влияния взаимодействующих подсистем жизнеобеспечения населения.

Постановка задачи

Под устойчивостью функционирования системы теплоснабжения муниципального образования понимается способность выполнять ею заданные функции (снабжение населения тепловой энергией в установленном объеме соответствующего качества) при воздействии

где R(t) - вероятность безотказной работы системы;

D - достоверность работы средств диагностики и контроля;

tB - время восстановления системы, час;

tB.Треб - требуемое время восстановления системы, час;

Р(tB < tB.треб) _ вероятность восстановления системы в установленные временные показатели.

Воздействие факторов ЧС приводит (может привести) к следующим последствиям:

_ появлению дополнительных отказов в системе теплоснабжения муниципального образования;

- ограничению в работе системы контроля и диагностики за счет нарушения взаимодействия с основным объектом;

- увеличению tB системы теплоснабжения

дестабилизирующих факторов. Качество тепловой энергии определяется постановлением Правительства РФ от 06.05.2011 №354 [3].

На устойчивость функционирования системы теплоснабжения муниципального образования влияет две группы дестабилизирующих факторов: внутренние и внешние. К группе внутренних факторов относятся: отказы, вызванные износом основных производственных фондов, а также надежное функционирование подсистем диагностирования отказов и восстановления на системах теплоснабжения и др.

К внешним факторам относятся воздействие опасных природных процессов, влияние температуры окружающей среды.

Устойчивость функционирования системы является сложным свойством, на которое влияет безотказность и восстанавливаемость этой системы.

Следуя [7] для вероятности устойчивого функционирования системы теплоснабжения в произвольный момент времени P(i), имеем:

(1)

муниципального образования.

Дополнительные отказы системы теплоснабжения приводят к уменьшению значения R(t). Ограничение в работе системы контроля и диагностики приводит, как правило, в конечном счете, к уменьшению значения диагностирования этой системы. Увеличение времени восстановления при сохранении функции распределения tB влечет уменьшение значения

в < tB.треб)-

На устойчивость функционирования системы теплоснабжения также оказывают влияние связанные с ней функционально подсистемы жизнеобеспечения (водоснабжения, электроснабжения, газоснабжения).

На рисунке 1 показана структурная схема связи таких подсистем и системы теплоснабжения.

Р(t) = R(t) x D + [1 - R(t)] x D x P(tB < tB.треб),

Рисунок 1 Структурная схема связи подсистем жизнеобеспечения и системы теплоснабжения ЦТП центральный тепловой пункт, ТЭЦ теплоэлектроцентраль, ИТП индивидуальный

тепловой пункт

Предполагается, что все подсистемы жизнеобеспечения, показанные на рисунке 1 и система теплоснабжения взаимно независимы. Тогда значение совместной вероятности

устой чивого функционирования системы теплоснабжения (Рт(¿)) и подсистем жизнеобеспечения будет иметь вид:

Рт(^ = Р(г) х Рв(*) х Рэ(¿) х РГ(*). (2)

где Рц (Ь) - вероятность устойчивого функционирования подсистемы водоснабжения;

Рэ (¿) - вероятность устойчивого функционирования подсистемы электроснабжения;

Рт (¿) - вероятность устойчивого функционирования подсистемы газоснабжения.

Анализ выражения (1) показывает, что важной составляющей при оценке устойчивого функционирования системы является 11(1). Будем считать, что восстановление элементов системы будет осуществляться в нормативно установленные сроки, а достоверность работы средств диагностики и контроля близка к 1.

Оценим устойчивость системы теплоснабжения муниципального образования для различных вариантов построения системы теплоснабжения на примере типовой

структуры города.

Решение

Типовые схемы систем теплоснабжения городского поселения приведены на рисунках 2, 3.

Схема системы теплоснабжения муниципального образования характеризуется источником теплоснабжения, тепловой мощностью и его размещением относительно потребителей [4].

Выбор варианта схемы системы теплоснабжения зависит от требуемой величины нагрузки потребителей, а также от вида и характеристик теплоносителя.

Наиболее простым является вариант радиальной схемы (тупиковой) тепловой сети (рисунок 2).

Рисунок 2 Радиальная (тупиковая) схема теплоснабжения 1 потребители, 2 сети теплоснабжения, 3 источник теплоснабжения

Радиальная схема теплоснабжения наиболее проста в эксплуатации, но обладает низкими характеристиками надежности.

Более эффективной является закольцован-

ная система теплоснабжения муниципально-IX) образования (рисунок 3). Такая система обеспечивает непрерывность подачи тепловой энергии потребителям.

I

-и

I I

"Т

I

гт -к.

т

I_

"Г А-

+ 1 1 1 Т 1 1 1

4 1

Тк^ 1 1 — Т1

1 1 11 д 1 1 4

7 4

1 т Т

1 1 _ _ _ 4±_ __ 1 1

Рисунок 3 Закольцованная схема теплоснабжения 1 потребители, 2 сети теплоснабжения, 3 источник теплоснабжения

В закольцованной системе теплоснабжения осуществляется дублирование магистральных элементов сети, а также прокладываются перемычки. При аварии на участке сети потребитель сможет получить тепловую энергию по резервному участку. Надежность закольцованной системы гораздо выше, чем у радиаль-

ной, но выше и затраты на их строительство и эксплуатацию.

В соответствии с [5] все потребители в системе теплоснабжения по надежности подразделяются на три основные катм'ории (рисунок 4).

Потребители тепловой энергии

1 |

1 категория 2 категория 3 категория

Перерыв в подаче Остальные потребители

Перерыв в подаче тепловой тепловой энергии

энергии не допускается допускается

(Тлер<54 час)

Рисунок 4 Схема классификации потребителей тепловой энергии по надежности

При авариях в системе теплоснабжения муниципальншх) образования допустимые значения характеристик тепловой энергии для

потребителей второй и третьей катм'ории приведены в таблице 1.

Таблица 1 Допустимые значения характеристик тепловой энергии для потребителей второй и третьей катм'ории

Наименование Значения температуры окружающей среды,°С

-10 -20 -30 -40 -50

1 2 3 4 5 6

Допустимое снижение

подаваемого объема 78 84 87 89 91

тепловой энергии %, до

Расчетное время восстановления системы теплоснабжения муниципальншх) образования определяется максимальным временем ликвидации аварии и может составлять от 15 до 54 часов.

Рассмотрим более детально типовые схемы систем теплоснабжения муниципальных образований:

а) радиальная (тупиковая);

б) закольцованная.

Построим структурные схемы надежности для вариантов систем, изображенных на рисунках 2, 3. Для каждох'о элемента значение Ri(t), i = 1,N известно.

На участках с последовательным соединением элементов R(t) будет определяться следующим образом [6|:

N

R(t) = п ад. (з)

г=1

Для участков с параллельным соединени- | ем элементов будет равна:

N

Щ) = 1 -ПI1 - (*)].

(4)

г=1

Структурные схемы надежности для ради- стем теплоснабжения приведены на рисунках альной (тупиковой) и закольцованной схем си- 5, 6.

Рисунок 5 Структурная схема надежности для радиальной (тупиковой) системы

теплоснабжения

1 источники теплоснабжения, 2 участок магистральной тепловой сети, 3 квартальная тепловая сети, 4 потребители теплоты (здания)

Рисунок 6 Структурная схема надежности для закольцованной системы теплоснабжения 1 источники теплоснабжения, 2 участок магистральной тепловой сети, 3 квартальная тепловая сети, 4 потребители теплоты (здания)

Определим К(Ь) для структурной схемы зуя выражения (3) и (4). надежности, показанной на рисунке 5, исноль-

Я^) = Я^) х К2(г) х Щ^) х Я^).

(о)

Определим значение Р(£), подставив полу- казатель устойчивости будет определяться из ченные значение в выражение (1). еледующмх) выражения:

Для системы теплоснабжения города ио-

Р(г) = Е^) х В2(г) х К3(Ь) х К4(Ь) х Б + [1 - К^) х К2(г) х К3(Ь) х К4(Ь)] х Б х Р(и < ьв.треб).

Полученное значение Р(£) подставим в вы- | ражепие (2) и определим значение РТ(Ь).

рт(г) = к1^) х К2(г) х я3(г) х щу) х б + [1 - к^) х в.2(г) х я3(г) х к4(г)] х б х р(и < и.треб)х хРв(г) х рэ(г) х рГ(г).

Значение вероятности для элементов еунке 5 примет следующий вид:

системы теплоснабжения приведенной на ри-

R(t) = R\(t) x (1 - (1 - R2(t))(l - R2(t)) x (1 - (1 - Rs(t))(1 - R4(t)) x R^t).

Вероятность устойчивого функционирова- в произвольный момент времени будет равна: ния закольцованной системы теплоснабжения

Р(t) = Ri(t) x (1 - (1 - R2(t))(1 - R2(t)) x (1 - (1 - Rs(t))(1 - R3(t)) x RA(t) x D + [1 - Ri(t)x x(1 - (1 - R2(t))(1 - R2(t)) x (1 - (1 - Rs(t))(1 - Rs(t)) x Ri(t)))] x D x P(tB > ta,треб))).

Значение совместной вероятности устойчи- стемы теплоснабжения с учетом влияния под-вого функционирования закольцованной си- систем жизнеобеспечения будет равно:

Рт(t) = Ri(t) x (1 - (1 - R2(t))(1 - R2(t)) x (1 - (1 - Rs(t))(1 - Rs(t)) x R4(t) x D + [1 - Ri(t)x

x(1 - (1 - R2(t))(1 - R2(t)) x (1 - (1 - Rs(t))(1 - Rs(t)) x R^t)))} x D x P(tB > tB,тре6)) x PB()x xP,(t) x Pr(t)).

Пример

Рассмотрим в качестве примера схему теплоснабжения для двух микрорайонов муниципального образования при наличии двух ис-

точников теплоснабжения (рисунок 7).

В каждый микрорайон подается тепловая энергия от любого из двух источников теплоснабжения.

Рисунок 7 - Схема теплоснабжения двух микрорайонов муниципального образования от двух

источников теплоснабжения 1 - потребители теплоты (здания), 2 - источники теплоснабжения, 3 - участки магистральной тепловой сети, 4 - распределительные участки тепловой сети, 5 - участки квартальной тепловой

сети, б ЦТП

Построим структурную схему соединения элементов но надежности (рисунок 8) для схемы системы теплоснабжения микрорайона

мупиципальпшх) образования, представленной на рисунке 7.

Рисунок 8 Структурная схема соединения элементов но надежности для системы

теплоснабжения микрорайона города 1 источники теплоснабжения, 2 участки магистральной тепловой сети, 3 распределительные участки тепловой сети, 4 ЦТП, 5 участки квартальной тепловой сети, 6 потребители тепловой энергии (здания)

R(t) = (1 - (1 - Ri(t))(1 - Ri(t)) x (1 - (1 - R2(t))(l - R2(t)) x R3(t) x R4(t) x

x(1 - (1 - R5(t))(1 - R5(t)) x R6(t).

Определим P(t) системы теплоснабжения значения в выражение (1). микрорайона города, подставив полученные

Р (t) = (1-(1-Ri (t))(1-Ri(t))x(1-(1-R2(t))(1-R2(t))xR3(t)xR4(t)x(1-(1-R5(t))(1-R5(t))x

xR6(t) x D + [1 - (1 - (1 - Ri(t)(1 - Ri(t)) x (1 - (1 - R2(t))(1 - R2(t)) x R3(t) x R4(t)x x(1 - (1 - R5(t))(1 - R5(t)) x R6(t)))] x D x P(tB > tB,Tpe6))).

Подставим полученное значение P(i) в вы- | ражение (2) и получим значение PT(t).

Рт (t) = (1-(1-Ri(t))(1-Ri(t))x(1-(1-R2(t))(1-R2(t))xR3(t)xR4(t)x(1-(1-R5(t))(1-R5(t))x

xR6(t) x D + [1 - (1 - (1 - Ri(t)(1 - Ri(t)) x (1 - (1 - R2(t))(1 - R2(t)) x R3(t) x R4(t)x x(1 - (1 - R5(t))(1 - R5(t)) x R6(t)))] x D x P(tB > tB,Tpe6)) x PB(t) x P9(t) x Pr(t)).).

В соответствии с [5] минимально допустимые показатели R(t) должны приниматься для: источника теплоснабжения 0,97; сетей д _ о59; потребителей - 0,99.

Временные затраты на восстановление элементов системы теплоснабжения муниципаль-ншх) образования рассмотрим на примере кир-пичншх) жилшх) дома. Максимальная оценка

затрат будет складываться из времени остывания помещений жилшх) дома до максимально допустимых значений.

Результаты расчетов охлаждения помещений жилшх) дома от исходншх) значения (+22°С) до допустимых значений (+1Ъ°С) приведены в таблице 2 [8, 9].

Таблица 2 Результаты расчетов времени охлаждения помещений жилого дома

Температура наружного воздуха, оС -5 -10 -15 -20 -25 -30

Время охлаждения помещений жилого дома до 15°С, час 41 25 16 12 9 7

Результаты таблицы 2 представлены в (рисунок 9). виде графической зависимости на графике

Рисунок 9 Зависимость времени охлаждения от температуры окружающей среды

Из графика видно, что наиболее сложная ситуация со временем восстановления системы теплоснабжения может сложиться с понижением температуры окружающей среды ниже - 15°С.

В условиях чрезвычайной ситуации при ограничении сил и средств указанные значе-

ния времени восстановления могут увеличиваться.

Результаты расчетов Рт (¿) системы теплоснабжения (в нормальном режиме, при изменении эксплуатационных факторов, при нарушении работы подсистем жизнеобеспечения) приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Результаты расчета Рт (Ь)

Наименование системы Результаты расчета РТ (Ь)

ДЛЯ заданных Щ) без учета влияния подсистем жизнеобеспечения с учетом влияния подсистем жизнеобеспечения

при задан ном ¿в при увели че ином ¿в при уменыне ином И Б = 0,6 Все подсистемы работают устойчиво (Р(£)в = 1; Р^)э = 1; Р(^г = 1) Нарушения работы всех подсистем (Р(*)в = 0,5; Р(^э = 0,5; РООг = 0,5) Нарушение работы одной из подсистем (Р(^)в = 1; Г(Ь% = 0,5; Р(^г = 1)

Система теплоснабжения городского микрорайона 0,87 0,87 0,77 0,58 0,87 0,1 0,43

Анализ данных в таблице 4 позволяет сделать следующие выводы:

_ ПОЛуЧенные выражения позволяют получать количественные оценки Рт (¿) как для одиночных систем, так и в случае их взаимодействия;

- показана возможность учета влияния факторов ЧС за счет ухудшения параметров системы контроля и диагностики и показателей ремонтопригодности.

Таким образом, для обеспечения устойчивого функционирования системы теплоснабжения муниципального образования необходима безаварийная работа взаимодействующих

подсистем жизнеобеспечения (водоснабжения, электроснабжения, газоснабжения), высококачественная работа системы контроля и диагностики, минимальные временные затраты на восстановление отказавших элементов в условиях ЧС.

Заключение

Полученные результаты позволяют в области обеспечения устойчивости системы теплоснабжения муниципального образования разработать соответствующие мероприятия, учитывая структуру соответствующих систем и объектов и эксплуатационные характеристики их элементов.

Литература

1. Федеральный закон от 21.12.1994 № 68-ФЗ «О теплоснабжении». - URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_102975/ (дата обращения 20.10.2020).

2. Постановление Правительства РФ от 8 августа 2012 г. №808 «Об организации теплоснабжения в Российской Федерации и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации». - URL: https://base.garant.ru/70215126/ (дата обращения 20.10.2020).

3. Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 №354 (ред. от 29.06.2020) "О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов". - URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_114247/ (дата обращения 20.10.2020).

4. Электронный ресурс. - URL:https://world-engineer.ru/proektirovanie/sxemy-teplovyx-setej.html/ (дата обращения 5.10.2020).

5. СП 124.13330.2012 Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003 (с Изменением №1) _ URL:http://docs.cntd.ru/document/1200095545/ (дата обращения 20.10.2020).

6. Основы теории надежности и управления качеством Воскобоев В.Ф., Учебное пособие. Химки. 2012 г. 336 с.

7. В.Ф. Воскобоев, Ю.Н. Рейхов Структура совместной оценки устойчивости и безопасности функционирования технического объекта / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2013. № 2. С. 6 - 14.

8. Самарин О.Д. Определение температуры в наружном углу здания. // Энергосбережение и водопод-готовка. 2006/ №3. С. 38 - 39.

9. СП 50.13330.2010 «СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200095525/ (дата обращения 20.10.2020).

ABOUT ASSESSMENT OF STABILITY OF FUNCTIONING OF SYSTEM OF НЕАТ SUPPLY OF MUNICIPALITY IN EMERGENCY SITUATIONS

Alexander LEBEDEV

candidate of technical sciences,

professor of the department

(Sustainability of the Economy

and Life Support Systems)

Civil Defence Academy EMERCOM of Russia

Address: 141435, Moscow region, city Khimki,

md. Novogorsk

E-mail: a.lebedevQamchs.ru

Nikolay MOROZOV

doctor of technical sciences, professor professor of the department of physics Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk

E-mail: morozov-2006Qyandex.ru

Abstract. The article deals with the problem of assessing the impact of emergency factors on the stability of the functioning of the heat supply system of the municipal formation. It is assumed that emergency factors lead to an increase in such indicators as the time of diagnosis and recovery of this object. Analytical expressions of the dependence of the indicator of stability of the functioning of the electric power industry object on these indicators are obtained. An example is given. It is assumed that emergency factors lead to an increase in the recovery time and a decrease in the reliability of the technical condition assessment.

Keywords: stability of functioning, heat supply system, emergency factors.

Citation: Lebedev A.Yu., Morozov N.N. About assessment of stability of functioning of system of heat supply of municipality in emergency situations // Scientific and educational problems of civil protection. 2020. No. 4 (47). p. 21 - 31 .

References

1. Federal Law of December 21. 1994 No. 68-FZ "On Heat Supply". - URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_102975/ (date of treatment 10/20/2020).

2. Resolution of the Government of the Russian Federation of August 8. 2012 No. 808 "On the organization of heat supply in the Russian Federation and on amendments to some acts of the Government of the Russian Federation". - URL: https://base.garant.ru/70215126/ (date of treatment 10/20/2020).

3. Decree of the Government of the Russian Federation of 05/06/2011 No. 354 (as amended on 06/29/2020) "On the provision of utilities to owners and users of premises in apartment buildings and residential buildings.RL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_114247/ (date of treatment 10/20/2020).

4. Electronic resource. - URL: https: //world-engineer.ru/proektirovanie/sxemy-teplovyx-setej.html/ (date of treatment 10/05/2020).

5. SP 124.13330.2012 Heating networks. Updated edition of SNiP 41-02-2003 (with Amendment No. 1) -URL: http: //docs.cntd.ru/document/1200095545/ (date of treatment 10/20/2020).

6. Fundamentals of the theory of reliability and quality management Voskoboev V.F., Textbook. Khimki. 2012 336 s.

7. V.F. Voskoboev, Yu.N. Reikhov The structure of a joint assessment of the stability and safety of the functioning of a technical object // Scientific and educational problems of civil protection. 2013. No. 2. S. 6 - 14.

8. Samarin O.D. Determination of the temperature in the outer corner of the building. // Energy saving and water treatment. 2006 / 3. S. 38 - 39.

9. SP 50.13330.2010 SNiP 23-02-2003 "Thermal protection of buildingsRL: http://docs.cntd.ru/document/1200095525/ (date of treatment 10/20/2020).