надёжность систем теплоэнергосбережения. Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине Надежность систем теплоэнергосбережения ети. Фхов. Пр. 00

• Название: Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине Надежность систем теплоэнергосбережения ети. Фхов. Пр. 00
• Анкор: надёжность систем теплоэнергосбережения
• Дата: 26.12.2022
• Размер: 171.54 Kb.
• Имя файла: 2DZD35N8.docx
• Тип: Методические указания; #865472

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Егорьевский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего образования

«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

(ЕТИ ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН»)

Кафедра теплоэнергетика и теплотехника

Методические указания к выполнению практических работ

по дисциплине

Надежность систем теплоэнергосбережения

ЕТИ.ФХОВ.ПР.00.

г. Егорьевск 2020

Составитель: _____________ О.В. Афанасьева, к.т.н., доцент кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника» (ТТ).

Методические указания предназначены для студентов по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», дисциплина «Надежность систем теплоэнергосбережения».

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника».

(протокол №___ от «___» _______________ 20__ г.)

Председатель УМГ ___________ А.Н. Мракин

ВВЕДЕНИЕ
Подготовка бакалавров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» предусматривает изучение курса «Надежность систем теплоэнергосбережения» с проведением практических занятий.

Высокая ответственность инженеров-промтеплоэнергетиков за обеспечение технологических производств энергоносителями требует обширных теоретических знаний по предотвращению отказов теплоэнергетического оборудования и недопущения ущерба. Изучаемая дисциплина систематизирует полученные знания по общеинженерным и специальным курсам, которые позволят будущим специалистам обеспечивать высокую надежность теплоэнергетического оборудования на стадиях его проектирования, изготовления и эксплуатации.

Практические работы включают в себя задания и пример решения задач по следующим темам: расчет нормируемых показателей надежности теплообменника и его отбраковка, расчет характеристик надежности котлоагрегатов, расчет надежности схем комбинированных установок, расчет затрат на обеспечение заданного уровня надежности энергоснабжения промпредприятия.

При выполнении заданий необходимо соблюдать следующие требования:

1. 
   Обязательно выписывать вопросы и условия задачи, в тетради оставить поле для замечаний.
   
2. 
   Ответы на вопросы должны быть краткими, но ясными и исчерпывающими; решения задач пояснять кратким текстом, где указывается определяемая величина, ее размерность, величины, входящие в формулы, и откуда они берутся. Вычисления давать в развернутом виде.
   
3. 
   Вычисления производить в системе СИ.
   

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1
1. ЗАДАНИЕ
Кратко ответить на контрольные вопросы по табл.1.1 (Приложение).

Вариант выбирается по последней цифре шифра студента.

Таблица 1.1

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
№ вопросов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	12	11	13	14	15	16	18	17	19	21

Задача. Определить параметр потока повреждений поверхностей нагрева пароперегревателя и водяного экономайзера по производственно-технологическим причинам ^п, коэффициент готовности котлоагрегата и эксплуатационные затраты в энергосистеме, связанные с обеспечением заданного уровня надежности энергоснабжения. Производительность и основные параметры теплоносителя котлоагрегата приведены в табл. 1.2. Поверхности нагрева котла имеют геометрические характеристики, приведенные в табл.1.3.

Таблица 1.2

Величина	Раз-мер-ность	Вариант
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
		Данные по последней цифре шифра
Производи-тельность, Dпе	кг/с	63,89	20,83	9,72	116,7	88,89	6,94	2,78	150	61,1	58,3
Продолжение табл.2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Энтальпия питательной воды, iпв	кДж/кг	922,8	422,0	613,2	1027	1027	435,8	435,8	1027	900,9	900,9
Энтальпия пара, iпе	кДж/кг	3402,2	3250,2	3446,1	3454,2	3454,2	2789,7	2787,6	3454,2	3247,7	3247,7
Среднее время ава-рийного вос-становления	ч	40	30	25	42	42	20	14	45	40	40
		Данные по предпоследней цифре шифра
Число часов использова-ния установ-ленной мощ-ности	ч/год	6800	5600	4500	7200	6500	4800	3500	7300	6300	4400
Число лет между годом, для которого получены исходные данные, и годом выпуска котла	лет	10	7	5	12	9	15	4	6	11	14

Таблица 1.3

Геометрические характеристики конвективных поверхностей нагрева

Наименование величины	Вариант
	0	1		2	3	4	5	6	7	8	9
1	2	3		4	5	6	7	8	9	10	11
	Данные по последней цифре шифра
Пароперегреватель 1 ступени / 2 ступени:
Диаметр труб, мм	38/42	38/42		38/38	42/42	38/42	32/-	28/-	42/42	38/42	38/42
Расположение труб	Коридорное / коридорное
Поперечный шаг труб, S1, мм	95/95	90/90	104/82		112 / 104	104/92	92/-	84/-	92/90	95/95	104/92
Размеры газохода, м:
Параллельный осям труб	4,1/ 6	2,1 / 2,5	1,6/2,1		4,8/6,9	5,1/7,1	1,8/-	1,1/-	6,2/8,1	4,3/6,8	4,4/6,6
Перпендикулярный осям труб	9,9 / 9,9	4,2/ 4,2	4,4 / 4,4		12,5 / 12,5	10,5 / 10,5	2,0 / -	1,8 / -	14,0 / 14,0	9,1 / 9,1	9,5 / 9,5
Число петель, шт	5/4	5/3	4/3		7/5	6/5	3/-	2/-	8/6	5/5	5/4
Заходность змеевика	2/2	1/1	1/1		2/1	2/2	1/-	1/-	2/2	2/2	2/2
Стандартная длина трубы, , м	3,8 / 5,8	1,9 / 2,3	1,4 / 1,9		4,6 / 6,7	4,9 / 6,9	1,6 / -	0,9 / -	6,0 / 7,9	4,1 / 6,6	4,2 / 6,4
Отношение доп/пр	1,15 / 1,3	1,2/ 1,1	1,25 / 1,3		1,05 / 1,2	1,15 / 1,35	1,1 / 1,4	1,18 / 1,2	1,11 / 1,4	1,08 / 1,22	1,06 / 1,28
Расчетная доля пов-реждений поверхности нагрева по производст-венно-технологичес-ким причинам в общем объеме повреждений,	0,15 / 0,13	0,12 / 0,18	0,1 / 0,12		0,18 / 0,21	0,17 / 0,19	0,23/-	0,25/-	0,21 / 0,18	0,11 / 0,13	0,15 / 0,18
Водяной экономайзер 1 ступени / 2 ступени:
Диаметр труб, мм	38/32	38/32	38/38		38/38	32/32	32/32	28/28	42/38	38/32	38/32
Расположение труб	Шахматное/ шахматное
Поперечный шаг труб, S1, мм	105/ 116	90/ 116	105/ 105		116 / 116	116 / 116	90 / 84	84 / 84	116/ 116	92 / 105	95 / 105
Размеры газохода, м:
Параллельный осям труб	9,9 / 9,9	4,2/ 4,2	4,4 / 4,4		12,5 / 12,5	10,5 / 10,5	2,0 / 2,0	1,8 / 1,8	14,0 / 14,0	6,8 / 9,1	7,2 / 9,5
Перпендикулярный осям труб	3,8/ 3,4	2,1 / 2,1	1,8 / 2,1		4,6 / 4,6	5,0 / 5,3	1,5 / 1,5	1,1 / 1,1	6,2 / 8,1	3,9 / 4,2	4,1 / 4,1
Число петель, шт	14/5	28/12	16/10		32/10	26/14	18/2	6/2	36/24	24/8	22/10
Заходность змеевика	1/1	1/1	1/1		1/1	1/1	1/1	1/1	1/1	1/1	1/1
Стандартная длина трубы, , м	9,7 / 9,7	4,0/ 4,0	4,2 / 4,2		12,3 / 12,3	10,3 / 10,3	1,8 / 1,8	1,6 / 1,6	13,8 / 13,8	6,6 / 8,8	7,0 / 9,2
Расчетная доля повреждений поверхности нагрева по производственно-технологическим причинам в общем объеме повреждений,	0,17 / 0,14	0,18 / 0,16	0,19 / 0,14		0,21 / 0,23	0,19 / 0,12	0,18/ 0,11	0,22/ 0,12	0,19 / 0,18	0,14 / 0,15	0,15 / 0,22

Исходные данные для расчета эксплуатационных затрат в энергосистеме, связанных с обеспечением заданного уровня надежности.

• 
  Коэффициент отчислений на амортизацию, реновацию и текущий ремонт П_р=0,15;
  
• 
  Удельные капитальные вложения в резервную установку К_р=1500 руб/кВт;
  
• 
  Удельный расход условного топлива на резервной установке b_р = 400 г/кВт.ч;
  
• 
  Удельный расход условного топлива на данной станции b = 380 г/кВт.ч;
  
• 
  Приращение резерва, зависящее от аварийности рассматриваемой установки =1,05
  
• 
  Цена условного топлива Ц_т = 513 руб/т.у.т;
  
• 
  Режимные факторы _j^.b_j^. N_j - не учитывать, а принимать их произведение равным квадрату коэффициента нагрузки котла
  
• 
  Интенсивность повреждений сварных швов контактных стыков, _с.ш,_. принять равной для всех поверхностей нагрева 0,4 ^. 10^-7 1/(ч^.м).
  
• 
  Интенсивность повреждений сварных швов ручных стыков, _с.ш., принять равной для всех поверхностей нагрева 3 ^. 10^-7 1/(ч^.м).
  
• 
  Интенсивность повреждений труб, _тр принять равной для всех поверхностей нагрева 0,3х 10^-9, 1/(ч^.м).
  

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Параметр потока повреждений (в 1/ч) поверхностей нагрева по производственно технологическим причинам можно определить из равенства

(1.1)

где _пт - доля охватываемых расчетом повреждений (стыков, гладких труб) в общем объеме повреждений по производственно технологическим причинам; _. - интенсивности повреждений сварных швов соответственно контактных и ручных стыков, 1/(ч^.м); - интенсивность повреждений собственно труб, 1/(ч^.м); _. - общая протяженность сварных швов соответственно контактных и ручных стыков, м; - общая протяженность труб, м; - коэффициенты, учитывающие изменение повреждаемости соответственно из-за отличия в проектируемом котле запасов прочности, из-за улучшения технологии за время между годами изготовления проектируемого и “эталонного” котлов и из-за конструктивных отличий, влияющих на повреждаемость.

Коэффициент определяется с учетом следующих допущений: повреждаемость всех элементов подчиняется одинаковой зависимости от запаса прочности, полученной для прямых труб; для сравнения запасов прочности принимаются в первом приближении расчетные температуры стенки; считается, что в котлах, по которым получена исходная информация, коэффициент запаса прочности труб, определяемый как отношение допустимого напряжения к приведенному ( = _доп/_пр) с учетом обычных округлений толщин стенок в среднем близок к 1,1. Поэтому величина при _доп/_пр = 1,0...1,1 принимается равной единице.

Для определения зависимости коэффициента от запаса прочности (рис.1) использована полученная А.Г. Щегловым (ВТИ) зависимость интенсивности повреждений от этого запаса.

Коэффициент определяется только для поверхностей пароперегревателя.

Величину рекомендуется определять из равенства = 1,05^, где  - число лет между годом, для которого получены исходные данные, и годом выпуска котла.

Для учета влияния технологичности конструкции опытные данные в настоящее время отсутствуют. Поэтому рекомендуется только при наличии надежных обоснований принимать значения коэффициента отклоняющиеся от единицы (как правило, незначительно).

Ожидаемые затраты на обеспечение надежности энергоснабжения потребителей, вызванные интенсивностью отказов элементов поверхностей нагрева котлоагрегата определяются по формуле:

(1.2)

где P_q - годовые расходы на 1 кВт мощности резервной установки, руб/(кВт.год); Q_ка – тепловая мощность котлоагрегата, кВт; q_m - коэффициент аварийности поверхности нагрева; h - число поверхностей нагрева.

Изменение аварийности поверхности нагрева q_m при работе котлоагрегата в составе энергоблока приводит к изменению коэффициента готовности паротурбинной установки K_г и, тем самым, к изменению количества электроэнергии, вырабатываемой установкой, и изменению годового расхода топлива. В соответствии с этим изменяется резерв мощности в энергосистеме и расход топлива на резервных установках. Годовые расходы Р_q на 1 кВт мощности резервной установки можно представить в следующем виде:

(1.3)

где b, b_р ­ удельные расходы условного топлива соответственно на данной электростанции и резервной установке, г/(кВт.ч); П_р - коэффициент отчислений от капиталовложений на амортизацию, реновацию и текущий ремонт в резервную установку, 1/год; К_р - удельные капиталовложения в резервную установку, руб/кВт;  - приращение резерва, зависящее от аварийности рассматриваемой установки, Ц_т – расчетная стоимость условного топлива, руб/т.у.т.; _э- число часов использования установленной мощности; _j, b_j, N_j – относительные длительность, удельный расход условного топлива и нагрузка котлоагрегата на каждом j-том режиме.

Коэффициент аварийности поверхности нагрева можно определить следующим образом:

(1.4)

где k_р - коэффициент разрежения потока отказов; Т_во -среднее время аварийного восстановления, ч.

Коэффициент разрежения потока отказов k_р характеризует вероятность вынужденной остановки котлоагрегата при возникновении одного отказа в поверхностях нагрева и определяется по формуле:

(1.5)

, (1.6)

где n – количество поверхностей нагрева в конвективной шахте котла, приводящих к остановам котла при их повреждениях.

Значения величин можно определить по формулам:

(1.7)
(1.8)

где n_зх - заходность поверхности нагрева; n_зм - количество параллельно включенных по внутренней среде панелей; L_с - стандартная длина труб, из которых сварены змеевики поверхности нагрева (длина стыка труб), м, d – диаметр труб.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2
1. ЗАДАНИЕ
Кратко ответить на контрольные вопросы по табл. 2.1.

Вариант выбирается по предпоследней цифре шифра студента.

Таблица 2.1

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
№ вопросов	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
	26	29	28	30	32	33	34	35	36	37

Задача. Определить интенсивность повреждения, интенсивность восстановления и коэффициент готовности приведенных в табл. 2.2 схем газотурбинных установок, проработавших 40 тыс. часов каждая. Распределение повреждений ГТУ по времени представлено в табл. 2.3.

Таблица 2.2

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Данные по предпоследней цифре шифра
Схема	А	Б	В	А	Б	В	А	Б	В	А

Таблица 2.3

Распределение повреждений ГТУ по времени

Повреждаемые узел и система	Среднее число повреждений								Среднее время ремонта
	Наработка, тыс. часов
	0-2,5	2,5-5	5-10	10-15	15-20	20-25	25-30	30-40
1	2	3	4	5	6	7	8	9		10
Турбина	24,7	7,4	15	15,5	27,6	8,8	10,3	4,3		78
Компрессор	8,2	1,4	2,5	5,2	2,1	3,0	6,8	13		59
Продолжение табл.6
1	2	3	4	5	6	7	8	9		10
Камера сгорания с газоходами	7,9	1,2	2,5	3,4	4,2	5,8	3,4	3,6		27
Теплообменники с выходными газоходами	4,7	3,8	4,1	5,2	2,1	3,0	3,4	3,7		27
Генератор	2,8	1,5	2,0	3,0	4,4	4,8	5,0	5,0		42

Тепловые схемы газотурбинных установок






2. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Основным методом расчета надежности комбинированных установок является элементный метод, который исходит из предположения, что система состоит из самостоятельных (в смысле надежности) элементов. Часть системы, предназначенная для выполнения определенной функции, называется элементом системы. С этой точки зрения разобьем установки поэлементно:

Схема А: I – К, КС, Т, Г; II – ТО.

Схема Б: I – К, КС, Т, Г, ТО; II – Т, Г.

Схема В: I – К, КС, Т, Г, ТО, ТО; II – Т, Г, ТО.

Затем составим структурные (логические) схемы, отражающие логические связи между элементами, вида:

1

2


Энергетическое оборудование в течение принятого расчетного периода может находиться в работе (τ_р), в резерве (τ_рез), в текущем или капитальном (плановых) ремонтах и в вынужденном (аварийном) простое (τ_вп). С точки зрения надежности работы оборудования нас интересуют два периода: τ_р и τ_вп. Используя данные о времени этих состояний (табл.6) и количестве отказов (n), можно определить основные показатели надежности:

- коэффициент готовности: , (2.1)

где - средняя наработка на отказ, час; (2.2)

- среднее время аварийного восстановления, час. (2.3)

На практике чаще используются величины, обратные приведенным:

• 
  интенсивность повреждений ; (2.4)
  
• 
  интенсивность восстановления . (2.5)
  

Для структурных схем с последовательным соединением элементов показатели надежности определяются как сумма соответствующих показателей по всем элементам, входящим в логическую цепочку:

(2.6)

. (2.7)

Коэффициент готовности всей системы определится как

. (2.8)


ПРИЛОЖЕНИЕ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Дайте определения следующих понятий: надежность, безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость, безопасность.
   
2. 
   Что понимается под суммой и под произведением нескольких событий? Сформулируйте теорему о суммировании вероятностей и следствие из нее. Приведите пример выполнения теоремы о суммировании вероятностей из эксплуатации теплоэнергетического оборудования.
   
3. 
   Дайте определения следующих понятий: система, объект, элемент, отказ. Перечислите, какие бывают отказы.
   
4. 
   Дайте определения следующих понятий: вероятность безотказной работы; интенсивность отказов.
   
5. 
   Сформулируйте теорему о взаимозависимых событиях и следствия из нее. Приведите пример взаимозависимых событий при работе теплоэнергетического оборудования.
   
6. 
   Перечислите показатели безотказности и дайте их краткое определение.
   
7. 
   Перечислите показатели ремонтопригодности и дайте их краткое определение.
   
8. 
   Что понимается под произведением двух (нескольких) событий? Сформулируйте теорему гипотез.
   
9. 
   Что такое долговечность объекта и какими показателями она задается? Что такое гамма-процентный ресурс? Перечислите показатели долговечности и дайте их краткое определение.
   
10. 
    Перечислите и дайте определение характеристик закономерностей распределения случайных величин.
    
11. 
    Дайте определения следующих понятий: коэффициент готовности и коэффициент оперативной готовности. Поясните, в чем их различие.
    
12. 
    Сформулируйте определения момента, начального момента и центрального момента.
    
13. 
    Дайте определения следующих понятий: коэффициент технического использования и коэффициент сохранения эффективности.
    
14. 
    Что такое математическое ожидание случайной величины (дискретной и непрерывной) и в чем ее отличие от статистической вероятности событий?
    
15. 
    Дайте определения следующих понятий: коэффициент эффективности функционирования и коэффициент готовности.
    
16. 
    Сформулируйте условия независимости и зависимости событий, дайте определение условной вероятности события.
    
17. 
    Перечислите специальные комплексные показатели надежности и дайте их краткое определение.
    
18. 
    Дайте определение случайной величины (дискретной и непрерывной), приведите примеры таких величин.
    
19. 
    Что понимается под законом распределения случайной величины, интегральной функцией распределения, плотностью вероятности и кривой распределения случайной величины?
    
20. 
    Поясните следующие характеристики закономерностей распределения случайных величин: момент, математическое ожидание, статистическая вероятность событий, мода и медиана случайной величины.
    
21. 
    Что понимается под центрированной случайной величиной, центральным моментом, дисперсией случайной величины, средним квадратичным, средним арифметическим отклонением случайной величины и квантилью?
    
22. 
    Сформулируйте закон биномиального распределения случайной величины. Сформулируйте закон распределения Пуассона. Приведите примеры случайных величин, подчиняющихся этим законам распределения.
    
23. 
    Сформулируйте закон распределения Гаусса. Сформулируйте закон экспоненциального распределения случайных величин. Приведите примеры случайных величин, подчиняющихся этим законам распределения.
    
24. 
    Сформулируйте закон распределения случайной величины Вейбулла. Приведите примеры случайных величин, подчиняющихся этому закону распределения. Дайте понятие многомерных случайных величин, закона их распределения и характеристик таких величин.
    
25. 
    Дайте понятие марковских процессов и цепей Маркова. Приведите порядок расчета вероятности состояний восстанавливаемого элемента с помощью графа состояний.
    
26. 
    Сформулируйте причины отказов в работе теплоэнергетического оборудования и приведите их классификацию.
    
27. 
    Перечислите причины и следствия отказов в работе котлов.
    
28. 
    Перечислите дефекты теплообменников и критерии отбраковки теплообменников.
    
29. 
    Перечислите причины и следствия отказов в работе турбин.
    
30. 
    Дайте понятие структурных схем систем теплоэнергоснабжения. Приведите общие принципы расчета надежности структурных схем.
    
31. 
    Что понимается под функцией работоспособности системы? Что понимают под конъюнкцией и дизъюнкцией аргументов?
    
32. 
    Последовательное соединение структурных схем. (Понятие и основные показатели надежности).
    
33. 
    Параллельное соединение структурных схем (Понятие и основные показатели надежности).
    
34. 
    Что понимают под системой со скользящим резервом? Дайте определение нагруженного и ненагруженного резерва. Запишите формулу для определения вероятности безотказной работы таких схем.
    
35. 
    Аналитические методы расчета надежности систем теплоэнергоснабжения (основные положения, условия применимости, достоинства и недостатки каждого метода).
    
36. 
    Приведите порядок и основные принципы расчета надежности энергетических установок методом дерева отказов.
    
37. 
    Приведите порядок и основные принципы расчета надежности энергетических установок методом минимальных путей и минимальных сечений.
    

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС: Учеб. пособие для теплоэнергетических и энергомашиностроительных вузов /Г.П. Гладышев, Р.З. Аминов, В.З. Гуревич и др.; Под ред. А.И. Андрющенко. - М.: Высшая школа, 1991. -303 с.

2. Сапрыкин Г.С. Надежность оборудования тепловых электростанций. - Саратов: Изд-во Сарат. политехн. ин-та, 1972. -121 с.

3. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. - М., 1986. -252с.

4. Симонов В.Ф.. Повышение эффективности энергоиспользования в нефтехимических производствах. - М.: Химия, 1985. –24 с.

5. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Высшая школа, 1977. -479 с.

6. Надежность систем теплоэнергосбережения. Методические указания к практическим занятиям для студентов направления 13.03.01 профиль «Промышленная теплоэнергетика», Саратов 2019. – 17 с.