Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

Модели планирования ремонтов и замен промышленного электрооборудования

Ершов М. С, доктор техн. наук, Скреплев И. В., инж.


Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, Москва


 

 

Надежность и экономическая эффективность работы электротехнических систем зависят от качества технического обслуживания и ремонта электрооборудования в процессе его эксплуатации. Их проведение связано с необходимостью выбора стратегии, планирования, подготовки, организации, финансирования, контроля и учета выполняемых работ. Известны различные стратегии плановых ремонтов (ПР) и замен технического оборудования [1]. Для энергетического оборудования в [2] определены три их основных вида: стратегии стандартного и индивидуального ремонтов и стратегия ремонта по техническому состоянию.

Рассмотрим пример планирования текущих (ТР) и капитальных (КР) ремонтов, а также замен электрооборудования, которые осуществляются исходя из стратегии стандартного ремонта (замены) и связанных с ним затрат С1 , а также ее сочетания со стратегией обслуживания по техническому состоянию, контролируемому средствами диагностики в процессе эксплуатации. Эти стратегии соответствуют положениям [3]. Стратегия стандартного ремонта предполагает выполнение ТР и КР с заданной периодичностью наработки, не зависящей от проведения неплановых ремонтов в промежутках между плановыми.

Планирование ремонтов и замен было выполнено для системы электроснабжения компрессорной станции (КС) магистрального газопровода (МГ) с газотурбинным приводом газоперекачивающих агрегатов (ГПА). В расчетах принята технологическая схема КС, включающая четыре рабочих и два резервных ГПА типа ГТК-10. Система электроснабжения КС МГ характеризуется высоким уровнем резервирования — как правило, предусмотрено не менее двух основных, а также резервный и аварийный источники питания. Рассмотренная система включает несколько сотен основных элементов, в том числе электрооборудование сетей (кабельные линии, силовые трансформаторы и комплектные трансформаторные подстанции, коммутационные аппараты) и двигатели электроприводов.

В общем виде затраты на проведение плановых и аварийных ремонтов (АР), а также на покрытие экономических потерь из-за отказов электрооборудования определяются из выражения

(1)

где Сп — затраты на плановые ремонты; Со = Са + Су — затраты на ремонт в случае непланового отключения, включающие стоимость Са восстановления отказавшего оборудования (в результате аварии), а также экономические потери (ущерб) Су от возможного нарушения технологического процесса; Н(ТП) — функция восстановления (математическое ожидание числа отказов элемента) на интервале ТП  периодичности плановых ремонтов.

При определении затрат на ПР и восстановление электрооборудования использованы данные [2]. Значения экономических потерь Су вычислены по методике [4] с учетом производительности и схемы работы газоперекачивающих агрегатов.

Для рассматриваемой стратегии ремонта значение Н(ТП ) получено из выражения [5]

(2)

где — интенсивность отказов.

Элементы систем электроснабжения относятся к классу оборудования с возрастающей функцией интенсивности отказов. На практике зависимость интенсивности отказов от времени удобно аппроксимировать линейной функцией времени

(3)

где — начальное значение интенсивности отказов; k — коэффициент, определяющий темпы старения оборудования.

Оценки значений Хо и к могут быть получены как на основе известных законов распределения наработок, так и путем непосредственной обработки ограниченного объема статистических цензурированных данных без определения законов распределения наработок на отказ оборудования, требующих больших объемов выборок [6].

Для оптимизации сроков ПР рекомендуется [1,2,5] пользоваться удельными затратами с1 , приходящимися на единицу времени,

(4)

С учетом выражений (1)-(4) формула для определения удельных затрат примет вид:

(5)

Минимизация удельных затрат по времени (вычисление ТП  из уравнения dcx / dTП = 0) позволяет получить формулу для определения оптимальной периодичности ТП орt плановых ремонтов:

(6)

где с = C0 / CП — отношение затрат при аварийном (с учетом экономических потерь из-за нарушений технологического процесса) и плановом ремонтах элемента рассматриваемой системы.

Применение этой формулы наиболее обоснованно для нахождения оптимальных сроков плановых текущих ремонтов ТТР орt электрооборудования. Отметим, что оптимальная периодичность ТР не зависит от начального значения интенсивности отказов, а определяется темпом старения и соотношением затрат на аварийные и плановые текущие ремонты. Если наработка на отказ оборудования подчиыняется экспоненциальному закону [ = , k = 0], то согласно формуле (6) ТТР орt = . В данном случае нет необходимости в выполнении ТР, что подтверждает известное положение из теории надежности.

В таблице приведены результаты оптимизации сроков ТР для некоторых элементов рассматриваемой системы электроснабжения КС МГ и сравнения оптимальных значений с рекомендуемыми в [2]. Относительные значения оптимальных сроков ТР приведены к соответствующим заданным в [2] значениям: iорt = ТТР орt / ТТР . Значения коэффициентов к в расчетах определялись на основе данных о законах распределения наработки электрооборудования, представленных в [4, 7, 8].

Номер электрооборудования
Электрооборудование
ТТР , ч
с, отн. ед.
k, год-2
iорt ТР ,отн. ед.
1
Выключатель ввода РУ-6
8640
85
0,01
1,53
2
Трансформатор КЦ, 1600 кВ·А
25920
14
0,01
1,26
3
Кабель 6 кВ
8640
36
0,005
3,33
4
Двигатель МНУ, 55 кВт
4320
37
0,1
1,49
5
Двигатель ПВВ, 30 кВт
4320
10
0,1
2,87
6
Магнитный пускатель АВ
4320
10
0,01
8,91

Примечание. КЦ — компрессорный цех, МНУ — маслонасос уплотнения, ПВВ — приточно-вытяжная вентиляция, АВ — аварийная вентиляция.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что высокий уровень резервирования систем промышленного электроснабжения (наличие резервных и аварийных источников, а также технологического резерва ответственного оборудования) дает возможность увеличить сроки проведения ТР значительной части электрооборудования.

Формула (6) может использоваться и для предварительной оценки оптимальной периодичности КР и замен электрооборудования (с учетом значений стоимости соответствующих ПР и замен). Однако по мере увеличения рассматриваемых интервалов времени предположение о монотонности возрастания интенсивности отказов оборудования становится менее обоснованным — проведение ПР приводит к ее снижению. Поэтому при планировании КР и замен целесообразно перейти к модели с частичным восстановлением ресурса оборудования в процессе проводимых ремонтов. Изменение интенсивности отказов в такой модели показано на рис. 1.

Рис.1

Для модели частичного восстановления затраты на проведение АР, ТР и КР, а также на покрытие экономических потерь из-за отказов электрооборудования за период  ТР  могут быть определены из выражения

(7)

где СКР , СТР — затраты на капитальный и текущий ремонты оборудования; — коэффициент "деградации", характеризующий неполноту восстановления значения интенсивности отказов после ТР.

В этом выражении учтено, что математическое ожидание числа отказов растет с каждым шагом и на i-м интервале

(8)

где - значение коэффициента "деградации" после i-го интервала ТР; — математическое ожидание числа отказов на первом интервале эксплуатации оборудования.

В [5], исходя из удобства определения значений коэффициента у в процессе наблюдений за отказами оборудования, предложено вычислять его по формуле

(9)

где >0 - параметр, оцениваемый в процессе наблюдений.

Соответствующие удельные затраты на единицу времени составят:

(10)

Дифференцируя целевую функцию (10) по i и приравнивания полученное выражение нулю, с учетом формулы (9) получаем уравнение вида

(11)

где ;

Хотя это уравнение и не имеет явного аналитического решения, при подстановке в него исходных данных несложно найти оптимальное число текущих ремонтов iopt TP , определяющее оптимальные сроки капитальных ремонтов TKP opt = iopt TPTTP для данного оборудования.

Модель частичного восстановления может быть использована и для вычисления оптимальных сроков замен электрооборудования. В этом случае справедливо предположить, что и после КР ресурс оборудования полностью не восстанавливается. Качественное изменение интенсивности отказов также видно из графика на рис. 1, если за интервалы принять периоды между капитальными ремонтами (т. е. TКР вместо ТТР).

Затраты на АР, ТР, КР и замену, а также на покрытие экономических потерь из-за отказов электрооборудования за период KP составят:

(12)

где Сзам , СКР , jCТР — затраты соответственно на замену и плановые (капитальный и j текущих) на интервале TKP ремонты оборудования;  j = iopt TP - 1.

Перейдя к соответствующим удельным затратам и определив их минимум, получим уравнение, подобное уравнению (11), с той лишь разницей, что в данном случае

Решение этого уравнения позволит получить оптимальную кратность iopt KP капитальных ремонтов, определяющую оптимальные сроки замены Tзам opt = iopt KP TKP оборудования.

Для выбранного объекта (системы электроснабжения КС МГ) были рассчитаны оптимальные сроки КР электрооборудования. На рис. 2 показан для некоторых видов оборудования характер определяемых по выражению (10) кривых зависимости удельных затрат от изменения сроков КР, кратных числу ТР i. Здесь номера кривых соответствуют номерам оборудования в таблице.

Рис.2

Анализ результатов оптимизации сроков проведения КР позволил сделать вывод о возможности их увеличения для большинства элементов электрических сетей объекта. Для некоторых видов оборудования ниже 1000 В, управляющих вспомогательным электрооборудованием, оптимальные периоды ТР на порядок превышают плановые значения [2], а периоды КР близки к их срокам службы. Для таких элементов можно отказаться от плановых (текущих и капитальных) ремонтов, ограничившись техническим обслуживанием и заменами в оптимальные сроки. У ответственных электроприводов (двигателей маслонасосов уплотнения и смазки), непосредственно связанных с работой ГПА, оптимальные сроки КР близки к установленным в [2] значениям.

На рис. 3, а - в показаны некоторые результаты исследования влияния исходных данных на оптимальную периодичность КР выключателей распределительных устройств выше 1000 В. Как видно, по мере увеличения соотношения затрат  с при аварийных и плановых ремонтах, коэффициента "деградации" и начальной интенсивности отказов оборудования межремонтный период КР сокращается.

Рис.3

Наибольшее влияние оказывает коэффициент "деградации", однако даже существенная ошибка в его определении не приводит к резкому изменению удельных экономических потерь в пределах периода КР. В значительной степени на оптимальную периодичность КР влияют также параметры с и . Учитывая, что они существенно влияют и на абсолютное значение удельных затрат, необходимо особенно внимательно определять их при эксплуатации.

На рис. 4 приведены кривые удельных затрат в зависимости от периодичности замен. Здесь также номера кривых соответствуют номерам оборудования в таблице. Полученные значения близки к средним срокам службы оборудования, указанным в [2]. Для наиболее ответственного оборудования оптимальные сроки замен несколько меньше рекомендуемых, а для большей части оборудования — превышают их.

Рис.4

С развитием средств диагностики электрооборудования все более перспективной становится стратегия ремонта по техническому состоянию, однако ее эффективность зависит от уровня полноты и достоверности диагностирования. При сочетании стратегии стандартного ремонта с ремонтом по состоянию и предположении, что часть неисправностей обнаруживается во время эксплуатации и устраняется при ближайшем ПР, справедлива следующая формула для определения удельных затрат:

(13)

где q — вероятность обнаружения неисправности средствами диагностики; 1 - q — вероятность отказа из-за неисправности, не обнаруженной средствами диагностики.

Минимизировав функцию удельных затрат по времени, получим следующее выражение

(14)

где — оптимальная периодичность ПР.

На рис.5 приведена кривая (i= / TП opt ) относительного (по сравнению с периодичностью ПР, полученной по стратегии стандартных ремонтов) увеличения сроков проведения ремонтов в зависимости от вероятности q обнаружения неисправности средствами диагностики. На основе анализа этой кривой можно сделать вывод, что средства диагностики способствуют явному увеличению периодичности плановых ремонтов при вероятности обнаружения неисправности выше 0,8.

Таким образом, разработаны модификации математических моделей, адаптированные к условиям стратегии стандартных ремонтов и замен, позволяющие учитывать вероятность обнаружения неисправности оборудования в процессе эксплуатации средствами диагностики. По сравнению с известными разработанные модели требуют меньше исходных данных и могут быть положены в основу инженерной методики планирования оптимальной периодичности ремонтов и замен промышленного электрооборудования.

Для промышленных объектов, отличающихся высокой степенью резервирования электротехнического и технологического оборудования, установлена возможность существенного увеличения периодичности ПР (вплоть до отказа от них для части оборудования) и периоличности замен значительной части электрооборудования.

Список литературы

  1. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход. - М.: Радио и связь, 1988.
  2. Колпачков В. И., Ящура А. И. Производственная эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт энергетического оборудования: Справочник. - М.: Энергосервис, 1999.
  3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.
  4. Меньшов Б. Г. , Ершов М. С. Надежность электроснабжения газотурбинных компрессорных станций. - М.: Недра, 1995.
  5. Gertsbakh I. Reliability Theory. With Application to Preventive Maintenance. — Springer, 2000.
  6. Скрипник В. М., Назин А. Е. Оценка надежности технических систем по цензурированным выборкам. - Минск: Наука и техника, 1981.
  7. Сушков В. В., Пухальский А. А. Совершенствование системы технического обслуживания и ремонтов нефтепромыслового электрооборудования. - Промышленная энергетика, 1994, №3.
  8. Надежность электроэнергетических систем: Справочник. Т. 2 / Под ред. М. В. Розанова. — М.: Энергоатомиздат, 2000.
 
  Полное содержание материала Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Промышленная энергетика.
Материал размещен на www.transform.ru29.02.2006 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????