Анализ надежности оборудования тепловой электростанции при внедрении преобразователей частоты

Удельный вес энергетического хозяйства в экономике металлургического завода значителен. Стоимость его основных фондов составляет 1020 % общей стоимости предприятия. В ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») наиболее мощным производителем электрической энергии является теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). Наряду с электроэнергией продукцией ТЭЦ является теплота, отпускаемая в виде пара и горячей воды. В настоящее время ТЭЦ производит 330 мегаватт электрический мощности, выдает 540 Гкал/ч тепла, обеспечивая ими подразделения комбината и жилые районы города. В общем объеме вырабатываемых комбинатом собственных энергоресурсов доля ТЭЦ по электроэнергии составляет более половины, а по теплу - 50-60 %.

Надежность работы оборудования тепловой электростанции определяется надежностью каждого объекта его структуры. Проводимая модернизация оборудования, совершенствующиеся технологии и применение систем автоматического управления технологическими процессами приводят к усложнению систем, а следовательно, к снижению их надежности. Так, повсеместное внедрение преобразователей частоты (ПЧ) при всех своих положительных свойствах отрицательно сказывается на надежности электроприводов модернизируемых агрегатов.

Эта ситуация не противоречит теории надежности, так как ввод в эксплуатацию дополнительного оборудования вносит свой элемент (вероятность отказа) в общий показатель ненадежности. В целом, получаемые положительные качества от модернизации, как правило, превышают отрица- тельные, если само новое оборудование обладает высокой надежностью и соответствует технологическим требованиям.

Особую проблему создают высоковольтные электроприводы насосов, отключение которых останавливает всю энергоустановку. При внедрении ПЧ основная причина отключений - нарушение электропитания, но имеют место и физические отказы преобразователя. Кроме визуально наблюдаемых причин на надежность работы электростанций влияет множество других, связанных с технической неисправностью отдельных узлов и агрегатов, ошибками операторов, нарушением взаимосвязей технологического процесса и др.

На ТЭЦ ОАО «ММК» установлено 8 энергетических котлоагрегатов типов ТП-170-1 (4 ед.), ТП-10 (2 ед.) ТП-85М (1 ед.), ТП-81 (1 ед.). Для покрытия пиков теплофикационной нагрузки в зимнее время установлены пиковые водогрейные котлы типа ПТВМ-100 и ПТВМ-180. Перечень основных механизмов технологических и собственных нужд, обеспечивающих технологический процесс ТЭЦ, и параметры высоковольтных асинхронных (АД) и синхронных двигателей (СД) представлены в табл. 1. Автоматическое регулирование скорости вращения АД отсутствует. Попытка оснащения ряда электроприводов (ЭП) тиристорными преобразователями корпорации Triol оказалась неэффективной в связи с их низкой надежностью.

Наиболее ответственными механизмами собственных нужд являются питательные насосы, циркуляционные насосы (ЦП), дутьевые вентиляторы, дымососы, конденсатные насосы. Ко второй степени ответственности относятся сетевые насосы зимние и летние, к наименее ответственным относят шаровые мельницы и молотковые дробилки. Остановка одного или двух ЦП приводит к остановке генератора, остановка всех ЦП приводит к остановке электростанции. По аналогии с генераторами в случае остановки питательного насоса останавливается котел (по технологическому процессу котел, турбина и генератор - три взаимосвязанных звена одной неразрывной тепло-электрической цепи). Поэтому ответственность этих двух типов насосов равнозначна. Что касается дутьевых вентиляторов и дымососов, то при остановке последних высокое давление газов может привести к их концентрации и широкому распространению, а в последующем к выхлопам и локальным взрывам с угрозой для жизни людей.

С учетом сказанного в табл. 2 представлен вариант разбивки электроприводов собственных и производственных нужд ТЭЦ по категориям ответственности, исходя из масштаба нарушения питания котельного и турбинного участков, а также тепловодоснабжения, требований безостановочной работы и допустимого времени, отводимого на восстановление нормального режима работы оборудования.

Известно, что перевод нерегулируемых ЭП вспомогательных механизмов электрических и тепловых станций на частотное управление обеспечивает ресурсосбережение, улучшение характера протекания переходных процессов, снижение затрат на обслуживание, позволяет отказаться от применения обратных клапанов, заслонок и т.п. [1]. К числу преимуществ ЭП, управляемых от преобразователей частоты, относят и их высокую надежность. Многие производители декларируют среднюю наработку на отказ ПЧ от 40 до 100 тыс.

Таблица 1

Параметры электродвигателей агрегатов собственных нужд ТЭЦ

Наименование агрегата	Количество, шт.	Диапазон мощностей, кВт	Номинальное напряжение, кВ	Кол-во оборотов, об/мин
Электродвигатели машинного участка
Циркуляционные насосы (АД)	8	1000-1250	3	500
Питательные электронасосы	7	2000	3	3000
Питательные электронасосы (СД)	3	4000	10	3000
Сетевые насосы (зимние и летние) (АД)	6	400	6	2970
Сетевые насосы (зимние и летние) (АД)	9	200-350-630-1600	3	1470-2960
Конденсатные насосы (АД)	8	100-220	3	980-1475
Насосы сырой воды (АД)	5	160	3	1475
Котельный участок
Дутьевые вентиляторы (АД)1А-8Б	16	165-630	3	585-993
Дымососы (АД)1 А-8Б	16	320-800	3	585-743
Мельничные вентиляторы (АД)1А-8Б	16	300-630	3	1480-1490
Мельницы (АД)1 А-8Б	16	370-630	3	740
Топливно-транспортный участок
Дробилки	2	200	3	735
Багерные насосы	3	250	3	3000
Эжекционные насосы	3	500-800	3	2975

Таблица 2

Категории ответственности электроприводов ТЭЦ из условий безостановочной работы

Категория ответственности Электропривод Возможные последствия при отключении одного агрегата Возможные последствия при отключении всех агрегатов I категория Циркуляционные насосы, питательные насосы Снижение давления воды в коллекторе приводит к срыву вакуума Остановка всей электростанции Дутьевые вентиляторы, дымососы Остановка котла Опасность для жизни людей II категория Сетевые насосы зимние и летние Снижение давления в распределительной сети, что приводит к снижению температуры тепла, поступающего в жилые помещения Остановка теплосети с прекращением подачи теплоносителя городскому населению в зимнее время недопустима III категория Шаровые мельницы В зависимости от времени простоя остановка мельницы приведет к остановке котла На остановку котлов и турбин не оказывают влияния Молотковые дробилки Не оказывают влияния часов и более [2]. Однако эта цифра зачастую завышена и носит рекламный характер, а такой важнейший аспект, как оценка надежности ЭП при внедрении ПЧ чаще всего остается вне зоны внимания организации-потребителя электропривода. Это обусловлено тем, что организации-изготовители ПЧ не заинтересованы в объективной оценке и распространении информации о показателях надежности ЭП, которые при внедрении сложного электронного устройства, безусловно, снижаются. В свою очередь, организации, внедряющие ПЧ, не имеют достоверных статистических данных о количествах отказов ЭП до и после их внедрения. Решение вопроса дополнительно осложняется отсутствием апробированной инженерной методики, позволяющей дать оценку надежности ЭП до и после внедрения ПЧ.

В связи с изложенным представляет интерес теоретический расчет, основанный на практических данных и результатах экспертной оценки частоты наступления событий, влияющих на работу объекта. Для комплексной оценки надежности работы электростанций применен аппарат структурнологического моделирования, теоретической основой которого является общий логико-вероятностный метод (ОЛВМ) расчета надежности сложных системных объектов и процессов [3]. В ОЛВМ наибольшее распространение получила методика расчета надежности, основанная на представлении структурных моделей надежности и безопасности систем в виде деревьев отказов, которые дают представление о связи между надежностью системы и надежностью ее элементов. Вершины на этом дереве представляют исходные события сценария возможных вариантов возникновения аварийной ситуации. Расчет надежности ведется последовательно, начиная от расчета элементарных узлов структуры к ее все более сложным узлам.

С помощью данного математического аппарата были построены деревья отказов тепловой элек- тростанции (рис. 1, 2), учитывающие как внутренние факторы (остановы узлов агрегата по различным причинам), так и внешние воздействия (нарушение режимов электроснабжения, вмешательство персонала и др.).

При построении деревьев отказов использовался многолетний опыт эксплуатации электростанций ОАО «ММК», сведения о наработке на отказ оборудования, методы опроса эксплуатирующего персонала и экспертной оценки. Дерево отказов электростанции, изображенное на рис. 1, отображает влияние отказов основных механизмов и внешних возмущений на работоспособность станции в целом. Каждый элемент (ветвь) основного дерева в свою очередь является подсистемой, содержащей свои собственные элементы. На рис. 2, а представлено дерево отказов, характерное для насосов, дымососа и дутьевого вентилятора котла, выполненных по существующей схеме, не оснащенных ПЧ. В случае их исполнения по системе ПЧ-АД дерево отказов принимает вид, представленный на рис. 2, б. Аналогичные деревья отказов получены для остальных механизмов собственных нужд ТЭЦ.

Следует отметить, что большинство достоверных данных об отказах можно получить лишь экспертным путем. Результаты оценки в виде интервалов возникновения отказов оборудования представлены в табл. 3 и 4. В табл. 3 приведены величины средней наработки до отказа каждого элемента, используемого в построенных деревьях отказов для тепловой электростанции без модернизации. Аналогичные данные для электростанции, имеющей на всех основных механизмах собственных нужд частотно-регулируемые электроприводы (ЧРП), представлены в табл. 4.

В результате расчета показателей надежности работы ТЭЦ с использованием построенных деревьев отказов и численных значений (см. табл. 3 и 4)

Рис. 1. Общее дерево отказов тепловой электростанции

а)

б)

Рис. 2. Деревья отказов сетевого, рециркуляционного насосов, дымососа и дутьевого вентилятора котла без частотного регулирования (а) и оснащенных частотнорегулируемым электроприводом (б)

Таблица 3

Среднестатистическое время наработки до отказа механизмов тепловой электростанции до реконструкции

Событие Средний интервал возникновения события (время работы до отказа), лет Условный номер эксперта Доверит, интервал Среднее значение 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 б 7 8 9 Воздействия со стороны поставщиков и потребителей энерговодяных ресурсов Нарушение электроснабжения на вводе теплостанции Потеря питающего напряжения 7 8 10 7 8 6 [7; 9] 8 Перенапряжение в сети электроснабжения И 10 13 11 8 8 [9; 12] И Перекос фаз 20 21 24 18 18 20 [19; 23] 20 Нарушение водоснабжения Отключение водоснабжения 25 21 23 25 26 27 [22 ; 26] 25 Разрыв теплосети 65 70 80 50 45 30 [39 ;71] 58 Нарушение газоснабжения Отключение газоснабжения 22 23 18 19 20 19 [19 ;22] 20 Неисправность регулирующего клапана 25 22 23 29 27 26 [23 ; 28] 25 Снижение давления газа 42 38 42 39 37 40 [38; 41] 39 Качание давления газа 20 21 23 18 17 19 [18 ; 22] 19 Неисправность дутьевых вентиляторов котлов Авария насоса 3 6 4 3 6 7 [4; 6] 5 Авария двигателя Нарушение питания на секции 8 6 7 9 4 6 [5; 7] 6 Повреждение питающего кабеля 15 10 12 15 13 12 [И; 14] 12 Межвитковый пробой изоляции 15 16 17 14 14 15 [14; 16] 15 Перегрев двигателя 10 12 14 8 9 11 [Ю; 12] 11 Неисправность подшипников 10 17 15 8 7 13 [9; 15] 13 Неверная работа системы регулирования Неисправность датчиков 12 8 10 7 4 8 [5; И] 8 Неисправность регулятора 6 5 7 8 12 8 [6; Н] 8 Человеческий фактор 14 8 6 9 7 9 [7; 13] 9 Неисправность дутьевых вентиляторов котлов Нарушение электропитания 7 12 7 11 15 9 [8 ; 14] И Неисправность электрической схемы 18 14 13 11 15 22 [13 ;20] 15 Человеческий фактор 14 8 6 9 7 9 [7; 13] 9 получены следующие значения средней наработки до отказа:

• - без ЧРП на основных механизмах собственных нужд:

• с котлами типов ТП: Т_{ср тп} безчрп ⁼ 0,4 года;

• с котлами типа ПТВМ: Т_ф птвм без чрп⁼ 0,61 года.

• - с ЧРП на основных механизмах собственных нужд:

• с котлами типа типов ТП: Тф щсчрп^ 0,12 года;

• с котлами типа ПТВМ: Т_ф птвмсчрп⁼ 0,15 года.

Как видно из результатов расчетов, общая надежность тепловой электростанции при оснащении ЧРП уменьшается в 3-4 раза.

В переводе полученных результатов в количество остановов электростанции в год получаем:

Nep. тп без чрп⁼ 1/Тф без чрп ⁼2,5 отказа/год;

Nф. птвм без чрп⁼ 1/ Тф без _ЧРП=1,6 отказа/год;

Nф. тп, пт с чрп⁼ 1/Тф _счрп⁼8,3 отказа/год;

Nф. птвмсчрп⁼ 1/Т_ср счрп⁼6,7 отказа/год.

Полученные результаты носят вероятностный характер, а следовательно, являются оценочными. Тем не менее они являются сопоставимыми с реальной информацией об остановах агрегатов ТЭЦ.

Выполненный анализ подтверждает вывод, что при увеличении числа элементов исследуемой системы ее общая надежность неминуемо снижается. То есть даже при установке ЧРП, которые удовле-

Таблица 4

Среднестатистическое время наработки до отказа механизмов собственных нужд при наличии ЧРП, не удовлетворяющих техническим требованиям

Событие Средний интервал возникновения события (время работы до отказа), лет Условный номер эксперта Доверит, интервал Среднее значение 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Неисправность дутьевых вентиляторов котлов Авария насоса Разрушение лопастей насоса 20 22 17 21 33 30 [20 ; 30] 24 Из-за работы на критических частотах 18 14 13 11 15 22 [13 ; 20] 15 Авария двигателя Пробой изоляции питающего кабеля 11 15 10 12 15 13 [И; 14] 12 Механическое повреждение питающего кабеля 15 18 21 28 16 21 [17 ;26] 20 Межвитковый пробой изоляции двигателя 13 15 16 17 14 14 [14 ; 16] 15 Перегрев двигателя И 10 12 14 8 9 [Ю ; 12] И Неисправность подшипников 14 10 17 15 8 7 [9 ; 15] 12 Неверная работа системы регулирования Неисправность датчиков 5 12 8 10 7 4 [5; Н] 8 Ошибка в канале связи 8 6 5 7 8 12 [6; П] 8 Отказ ПЧ (подсистема) Человеческий фактор 14 8 6 1 9 7 9 !      [7; 13]      | 1          9 Отказ ПЧ Воздействия окружающей среды (влажность, температура окружающего воздуха) 4 3 6 8 3 5 [4; 7] 5 Нарушение электроснабжения на секции ПЧ 7 12 7 11 15 9 [8; 14] 11 Неисправности в ПЧ (силовая электроника, система управления) 5 7 4 4 3 6 [4; 6] 5 Неисправность системы охлаждения ПЧ 3 6 6 8 6 9 [4; 8] 6 Несанкционированное вмешательство персонала 4 3 5 4 2 4 [3;4] 4 творяют всем предъявляемым к ним требованиям, общая вероятность отказа станции будет выше вероятности отказа станции с нерегулируемыми механизмами. Задача в данном случае состоит в том, чтобы свести эту разницу к минимуму, повысить надежность преобразователя частоты в существующих условиях работы на тепловой электростанции, а также снизить его влияние на другие элементы системы [4]. Сделать это можно путем установки на механизмы собственных нужд только тех ЧРП, которые своими характеристиками и набором имеющихся функций удовлетворяют требованиям, специально разработанным для каждого типа механизмов. В качестве основного мероприятия по обеспечению надежности авторами [4] рекомендовано производителям силовой преобразовательной техники совершенствовать автоматический самоза-пуск ЧРП. В качестве технического решения предлагается вариант исполнения силовой схемы преобразователей со сдвоенным звеном постоянного тока и возможностью электропитания выпрямителей от двух вводов.

Однако для ЭП механизмов собственных нужд ТЭЦ применение таких преобразователей является дорогостоящим решением в связи с большим количеством установленных высоковольтных асинхронных электродвигателей. В качестве оптимального решения следует рассматривать вариант группового подключения инверторов к секции шин постоянного тока, питаемых от основного выпрямителя, с возможностью перевода на резервный, подключенный к отдельной секции системы электроснабжения ТЭЦ. Подобные схемы питания применяются на ряде современных технологических агрегатов ОАО «ММК», оснащенных асинхронными ЭП с частотным регулированием, в частности на агрегатах непрерывного горячего цинкования и полимерных покрытий, а также на сортовых станах горячей прокатки.