Надежность насосных станций

Насосные станции обеспечивают перекачку воды во многих коммунальных системах: водоснабжения и водоотведения, теплоснабжения и отопления. Состоит насосная станция из технологической и электрической части. В технологическую (механическую) часть входят насосы, задвижки, обратные клапаны, трубопроводы; в электрическую - электродвигатели, пусковые и распределительные устройства, трансформаторы и т.д. Соответственно и отказы делятся на две группы:

- отказы механической части;

- отказы электрической части.

Из элементов электрической части в данном разделе будут рассмотрены лишь отказы электродвигателей. Насос с электродвигателем образуют насосный агрегат и в ряде изданий параметры надежности приведены для агрегатов. Продолжительности наработки насосов на отказ в значительной мере определяется износом вращающихся поверхностей, вибрацией, разбалансировкой, коррозией.

Распределение отказов механической части по группам деталей приведено на рисунке 5.3-5.5.

В электрической части причинами отказа могут быть пробой изоляции ротора или статора электродвигателя, повреждение лабораторных уплотнений и т.д. Величины параметров надежности насосов и насосных станций приведены в таблице 5.6.

Для тепловых сетей города Москвы (Ионин А.А. “Надежность систем тепловых сетей.” - М.: Стройиздат. 1989.-268 с.) приводятся величины параметра потока отказов насосных агрегатов (насос + электродвигатель) в комплексе с двумя задвижками в пределах: w_min = 0,653 год^-1 (0,7×10^-4 час^-1); w_ср=0,935 год^-1 (1,1×10^-4 час^-1) и w_max = 1,37 год^-1 (1,6×10^-4 час^-1). На насосных станциях установлены насосы типа НДС и СД. При этом средние величины параметра потока отказов для насосов составляют w_ср=0,74 год^-1 (0,84×10^-4 час^-1), для электродвигателей w_ср=0,23 год^-1 (0,26×10^-4 час^-1), w_min = 0,07 год^-1, w_max=0,7год^-1. В качестве расчетных величин рекомендуется использовать w_max^{нас.агр.} = 1,37 год^-1, w_max^эл.дв. = 0,7 год^-1.

Таблица 5.6. Параметры надежности элементов насосных станций.

В зависимости от уровня нормативных требований к надежности подачи воды насосные станции делятся на 3 категории:

1 категория - насосные станции, которые с определенной доверительной вероятностью не должны допускать перерывов в подаче воды при расчетных режимах и продолжительности эксплуатации. По данным Науменко И.И. (“Надежность сооружений гидромелиоративных систем”, - К.: Выща школа, 1990 г. - 239 с.) допустимый уровень надежности рекомендуется принимать Р_доп=0,9999 (вероятность безотказного действия).

2 категория - станции, которые допускают с определенной вероятностью снижение расхода, напора, а также перерыв в подаче воды на время включения резервного энергоснабжения обслуживающим персоналом. Рекомендуется Р_доп=0,99-0,98 (перерыв 10 мин).

3 категория - станции, которые допускают с определенной вероятностью снижение расхода и напора, а также перерывы в ее подаче на время ликвидации аварии, но не боле 1 суток. Р_доп=0,96-0,90.

Насосная станция является сложным техническим объектом, состоящим из большого количества элементов. Определение параметров ее надежности может производиться по стандартной процедуре для технических систем.

1. Выполнение поверочных расчетов насосной станции с целью определения соответствия ее нормативно-техническим требованиям с учетом категории надежности.

2. Составление расчетной (структурной) схемы насосной станции в зависимости от состава оборудования и обвязки насосов (рис. 5.6).

3. Составляются формулы для расчета надежности насосной станции как технической системы в соответствии с ее структурой (аналогично водозаборным сооружениям): Р_Н.С. (t).

4. Определяется время безотказной работы: Т_ср.Н.С.

5. Сравниваем эти величины с нормативами в соответствии с категорией насосной станции. При необходимости предусматриваются меры по повышению надежности и после корректировки оборудования снова повторяется весь расчет.

6. Определяется показатель качества функционирования и коэффициента обеспеченности расхода (a³0,7) и b.

Можно для расчетов использовать готовые формулы, приведенные в книге Ю.А. Ильина “Расчет надежности подачи воды” в зависимости от количества рабочих и резервных агрегатов и категории надежности станции (табл. 5.7). При этом считается, что насосная станция работает в автоматическом режиме, а дежурная бригада ремонтников только периодически осматривает ее и проводит профилактические ремонты, резервирование производится замещением.

Таблица 5.7. Формулы для определения показателей надежности подачи расчетного расхода воды насосными станциями.

K=n+m	Насосные станции 1 категории при числе резервных агрегатов m=2
	P(t) - вероятность безотказной подачи расчетного расхода qрасч	Т - среднее время работы до отказа
: 5,6,7
	Насосные станции 2 категории при числе резервных агрегатов m=1
	P(t)	Т

l - интенсивность отказов насосов (агрегаты в целом с двумя задвижками, обратным клапаном; по Ионину);

m - интенсивность ремонтов насосов (агрегаты в целом с двумя задвижками, обратным клапаном; по Ионину).

t_доп - допустимый перерыв в подаче воды.

Следует отметить, что эти формулы составлены без учета организации ремонтных работ. В таблице 5.8 показано влияние периодичности осмотра автоматических насосных станций ремонтной бригадой на показатели надежности.

Таблица 5.8. Показатели надежности автоматических насосных станций 1 категории при l=2×10^-4, 1/час.

Т - среднее время между перерывами подачи расчетного расхода воды (время безотказной работы), сут.

Параметры надежности насосных станций следует учитывать при расчете надежности всей системы подачи воды в системах водоснабжения или тепла в системах теплоснабжения. Для этого необходимо рассматривать вероятность различных аварийных ситуациях. Пусть, например, установлено несколько рабочих агрегатов + один резервный. Отказ одного рабочего агрегата не снизит производительности станции, поскольку сразу включается резервный. Но отказ еще одного рабочего агрегата уже приведет к снижению производительности в том случае, если еще не закончен ремонт первого отказавшего агрегата. Вероятность отказа одного насосного агрегата за время t:

.

Примем продолжительность ремонта агрегата равной t_p. Учтем, что чем больше t_p, тем больше вероятность отказа за это время второго агрегата. Максимально большое время неработоспособного состояния насосной станции получится, если начало ремонта второго агрегата падет на конец ремонта первого агрегата (одна ремонтная бригада). Тогда время неработоспособного состояния составит 2t_p и будет иметь место двойной отказ. Вероятность отказа второго агрегата за время t_p составит:

Вероятность одновременного отказа двух агрегатов равна произведению вероятностей событий:

Учтем, что показатели степени (-lt) и (-l2t_р) очень малы, тогда допустимо считать, что 1-е^-х»х. После преобразований получим (по Ионину) вероятность одновременного отказа 2^х насосов.

Здесь l - интенсивность отказов насосного агрегата;

l=l₁+l₂+l₁+l₃.

Тройной отказ считается практически невероятным событием.

Пример 5.3.1. На насосной станции установлено 5 насосных агрегатов (4 рабочих и 1 резервный) типа 10Д-6. Насосная станция работает в автоматическом режиме и обслуживается одной ремонтной бригадой. Оцените вероятность безотказной работы системы в течение 1000 часов.

Решение: Насосные агрегаты резервированы способом замещения. Составим расчетную схему для насосной станции.

Интенсивность отказа элементов насосной станции: насоса типа 10Д-6 – 2,2×10^-4 1/час, трубопроводов в пределах станции (элемент 1 и 6) – 0,9×10^-6 1/час, задвижек (элемент 2 и 5) – 3,5×10^-6 1/час, обратного клапана – 0,9×10^-5 1/час. Считаем, что все элементы новые. Элементы соединены последовательно и интенсивность отказа системы одного блока:

Вероятность безотказной работы насосной станции:

Найденное значение P(t) свидетельствует о том, что в течение 1000 часов могут быть аварийные ситуации.

Пример 5.3.2. Определите количество насосных агрегатов на циркуляционной насосной станции третьей категории надежности, если станция должна обеспечить в течение 1000 часов подачу 800 м³/ч.

Решение: Примем три основных насоса Д320-70. Наработка на отказ этих насосных агрегатов подчиняется закону Вейбулла с параметрами а=4000 часов и b=1. Время восстановления насосного агрегата подчиняется нормальному закону с параметрами: t_в¹=90чел.-ч., s_в=60чел.-ч.

Насосную станцию может обслуживать одна бригада из 3 человек. Время восстановления насосного агрегата – 140 чел.-ч.

Вероятность безотказной работы насосного агрегата Д320-70 при законе Вейбулла:

При нормальном законе вероятность восстановления насосного агрегата:

Вероятность безотказной работы насосного агрегата при восстановлении:

Вероятность подачи 800 м³/ч тремя насосными агрегатами:

Следовательно, для обеспечения надежной работы станции необходимо резервирование. Пусть на насосной станции установлено 4 насосных агрегата (3 рабочих и 1 резервный типа Д320-70).

Вероятность безотказной работы станции:

Если в течение 1000 часов не планировать восстановления насосных агрегатов, то при одном резервном агрегате вероятность безотказной работы составит:

Следовательно, надежность подачи воды можно обеспечить при установке трех рабочих и одного резервного насоса типа Д320-70 (с восстановлением агрегатов).