Идентификация критически важных устройств на примере паровой турбины

Продемонстрируем конструктивность изложенных выше подходов к прогнозированию параметров, определяющих ресурс безопасной эксплуатации, на примере системы регулирования и защиты паровых турбин типа К-300 и их ротора. Считая эти части критически важными, сделаем это последовательно и с учетом схемы, изображенной на рис. 7.4.

Принципиальная схема регулирования и защиты турбины

Рис. 7.4. Принципиальная схема регулирования и защиты турбины

Знакомство со схемой свидетельствует о важной роли следующих ее элементов и функций: кнопка аварийного останова (А); механизм управления турбиной (МУТ); автоматический регулятор (1) частоты вращения и автомат безопасности (8) турбины, связанные с ее стопорными (Б) и регулирующими клапанами цилиндров высокого (5), среднего (6) и низкого (7) давления; промежуточный золотник (2) и сервомоторы, непосредственно управляющие этими клапанами; устройство (4) для ускоренного останова турбины путем перевода цилиндра низкого давления в режим с противодавлением; ЭА (10) — выключатель электрогенератора; электронный и ручной регуляторы тепловой нагрузки (ЭРТН), формирующие импульсы управления давлением пара и температурой воды.

С учетом этого основное внимание ниже уделим прогнозированию вероятности разрушения ротора и времени до разрушения из-за превышения им числа оборотов и исчерпания запаса его конструктивной прочности, руководствуясь рекомендациями параграфов 7.1 и 7.3. При этом вклад отдельных частей выбранного ОТУ в меры возможности и результата подобной аварии оценим по результатам качественного и количественного анализа модели, представленной на рис. 7.5.

На представленном в левой части этого рисунка дереве происшествия имеются наименования всех 26 его исходных событий и алфа-

Модель разгона турбины из-за дисбаланса моментов сил

Рис. 7.5. Модель разгона турбины из-за дисбаланса моментов сил

витные коды 20 предпосылок его верхних уровней. Содержание последних приведено в верхней части табл. 7.2 совместно с наименованиями всех конечных исходов дерева событий и их цифровыми кодами.

Таблица 7.2. Предпосылки и исходы моделируемого процесса

Наименование

Код

Дерево происшествия (левая часть диаграммы)

1

Внезапное изменение момента сопротивления вращению турбоагрегата

А

2

Отсутствие корректировки расхода пара в цилиндры его турбины

Б

3

Резкое изменение момента сопротивления электрогенератора

В

4

Резкое увеличение сопротивления турбины из-за неполадок

Г

5

Сбой в работе системы автоматического регулирования оборотов турбины

Д

6

Оператор не предотвратил изменение оборотов турбины командой с пульта

Е

7

Резкое увеличение момента сил сопротивления электрогенератора

Ж

Наименование

Код

8

Резкое снижение сопротивления электрогенератора из-за повреждений

3

9

Увеличение сопротивления ротору турбины из-за попадания воды

И

10

Увеличение сопротивления ротору из-за попадания твердых предметов

к

11

Отсутствие сигнала от измерителя скорости вращения ротора турбины

л

12

Задержка сигнала измерителя скорости турбины при передаче усилителю

м

13

Несрабатывание исполнительных устройств регулирования скорости

н

14

Отказ золотников, управляющих работой регулирующих клапанов

О

15

Неисправность исполнительных устройств цилиндра высокого давления

п

16

Неисправность исполнительных устройств цилиндра среднего давления

р

17

Несрабатывание регулирующего и отсечного клапанов турбины

с

18

Неисправности сервомоторов регулирующего и отсечного клапанов

т

19

Неисправности неподвижных частей их сервомоторов

У

20

Неисправности подвижных частей сервомоторов обоих данных клапанов

ф

Дерево событий-исходов (правая часть диаграммы)

1

Превышение скорости вращения ротора турбины свыше 15% от нормы

1

2

Несрабатывание обоих автоматов безопасности турбоагрегата

11

3

Разрушение конструктивных элементов ротора и статора турбины

111

4

Повреждение машинного зала, гибель и тяжелые увечья персонала

112

5

Издержки из-за недовыработки большого количества электроэнергии

113

6

Штрафные санкции за нарушение договорных обязательств

114

7

Срабатывание хотя бы одного из двух автоматов безопасности

12

8

Затраты на диагностику и профилактику турбоагрегата

121

9

Издержки из-за невыдачи запланированного объема электроэнергии

122

10

Выплата неустойки за нарушение договорных обязательств

123

11

Превышение скорости вращения ротора турбины до 15% от номинальной

2

12

Отключение оператором подачи пара с пульта дистанционного управления

21

13

Издержки из-за невыдачи запланированного объема электроэнергии

211

14

Штрафные санкции за нарушение договорных обязательств

212

15

Затраты на диагностику и профилактику турбоагрегата

213

Наименование

Код

16

Оператор не смог прекратить подачу пара с пульта управления

22

17

Издержки из-за недопоставки значительного объема электроэнергии

221

18

Штрафные санкции за длительное нарушение договорных обязательств

222

19

Затраты на ремонтно-восстановительные работы ротора турбоагрегата

223

Как ясно из приведенных материалов, при выборе существенных для разгона турбины предпосылок учтена возможность ручных и автоматических способов регулирования скорости вращения, включая ее защиту от разгона с помощью технической системы, схема которой изображена на рис. 7.5.

В ходе качественного анализа дерева происшествия выявлено 61 минимальное сочетание исходных событий: а) 60 пропускных (аварийных): триплеты — 1,11, 25; 2, 11, 25;...; 10,13, 26; б) одно отсечное (секущее) —дуплет 25, 26. Анализ вклада исходных предпосылок в возможность разгона турбины свидетельствует, что из 26 таких событий наиболее значимыми для появления данной чрезвычайной ситуации оказались десять (1—10), а наиболее критичными для ее исключения — тринадцать: 14—26 (из них 25 и 26 являются в этом смысле критически важными); тогда как вклад оставшихся трех (11,12 и 13) исходных предпосылок данной модели можно считать как бы промежуточным.

Качественный анализ дерева событий, цифровые коды и наименования которых приведены в нижней части табл. 7.2, показал, что наиболее тяжелые исходы исследуемой аварии сопутствуют ее развитию по группе сценариев 11, а наиболее легкие — по 21. Что касается групп сценариев, помеченных кодами 12 и 22, то их последствия во многом определяются совершенством инструкций, предусмотренных для персонала на подобные нестандартные ситуации, а также безошибочностью и своевременностью его действий по их парированию.

Количественный анализ изображенной на рис. 7.5 диаграммы проведен двумя способами: вручную и с помощью программного комплекса «АРБИТР». Для этого использовались значения параметров ее исходных и конечных событий, представленные в прилагаемой ниже табл. 7.3. При определении имеющихся в ней вероятностей отказов техники и ошибок людей (левая часть рис. 7.4 и табл. 7.3) руководствовались справочной информацией из приложений А и Б к настоящему учебнику применительно к непрерывной работе системы «турбоагрегат — оперативный персонал — машинный зал теплоэлектростанции» в течение межрегламентного периода, т.е. за время т = 320 суток х 24 ч = 7680 ч.

Дерево происшествия (коды — по рис. 7.4)

Дерево событий (коды — по табл. 7.2)

Код

Частота Р., 1/год

Код

Частота Р., 1/год

Код

Вероятность

Q,(*>

Ущерб

У,(’), у.е.

1

0,0050

14

0,0080

1

0,0600

2

0,0010

15

0,0020

11

0,0009

3

0,0002

16

0,0060

111

0,0003

5 000 000

4

0,0001

17

0,0080

112

0,0002

1 000 000

5

0,0020

18

0,0060

113

0,0002

5 000 000

6

0,0001

19

0,0020

114

0,0002

1 000 000

7

0,0060

20

0,0040

12

0,0591

8

0,0080

21

0,0080

121

0,0291

200 000

9

0,0008

22

0,0040

122

0,0200

500 000

10

0,0010

23

0,0070

123

0,0100

500 000

11

0,0020

24

0,0060

2

0,9400

12

0,0080

25

0,0300

21

0,6400

13

0,0100

26

0,0200

211

0,3400

1 000 000

212

0,1000

500 000

213

0,2000

100 000

22

0,3000

221

0,0800

500 000

222

0,0200

1 000 000

223

0,2000

500 000

Для осуществления количественного анализа дерева происшествия вручную составлена следующая эквивалентная ему структурная функция:

Автоматизированный расчет этой же модели на программном комплексе «АРБИТР» был проведен с помощью эквивалентной ей схемы функциональной целостности. Интерфейс с фрагментом предварительно построенной СФЦ и результатами оценки вероятности моделируемой аварии (резкого изменения оборотов турбины) приведен на рис. 7.6.

Поясним, что оценка искомой вероятности Р74= Q(X) = 0,000026 находится в центре рис. 7.6, а в его правой части — меры возможности наступления некоторых исходных предпосылок дерева происшествия.

Значения вероятности остальных таких событий, а также их значимость и вклад в появление головного события приведены в табл. 7.4. (Напомним, что две последние характеристики рассчитаны как частная производная и разность между вероятностью моделируемой аварии при реальных и граничных (1 и 0) значениях такого же параметра каждой исходной предпосылки.)

Что касается исходных данных дерева событий (правая часть рис. 7.5), то при их подготовке руководствовались следующими соображениями.

1. Оценка условных вероятностей Qt(* |Х) проводилась с учетом статистических данных о последствиях ликвидации нестандартных ситуаций, вызванных резким изменением скорости вращения турбогенератора тепловых электростанций; при этом некоторые значения этих параметров были позаимствованы из промежуточных результатов количественного анализа дерева происшествия. Например, вероятность несрабатывания автоматов безопасности была принята равной вероятности Р(Д) появления сбоя в системе автоматического регулирования оборотов, так как управление обоими управляющими и двумя стопорными клапанами турбин К-300 осуществляется по одинаковым принципиальным схемам и с использованием однотипных элементов.

Интерфейс ПК «АРБИТР» с фрагментами модели и результатов расчета

Рис. 7.6. Интерфейс ПК «АРБИТР» с фрагментами модели и результатов расчета

Номер

события

Вероятность

предпосылки

Значимость

предпосылки

Отрицательный

вклад

Положительный вклад

1

0,005

0,0010589

-5,2946Е-006

0,0010536

2

0,001

0,0010547

-1,0547Е-006

0,0010536

3

0,0002

0,0010538

-2Д077Е-007

0,0010536

4

0,0001

0,0010537

-1,0537Е-007

0,0010536

5

0,002

0,0010557

-2Д115Е-006

0,0010536

6

0,0001

0,0010537

-1,0537Е-007

0,0010536

7

0,006

0,00106

-6,3599Е-006

0,0010536

8

0,008

0,0010621

-8,497Е-006

0,0010536

9

0,0008

0,0010545

-8,4357Е-007

0,0010536

10

0,001

0,0010547

-1,0547Е-006

0,0010536

11

0,002

0,0011608

-2,3215Е-006

0,0011584

12

0,008

0,0011678

-9,3423Е-00б

0,0011584

13

0,01

0,0011701

-1Д701Е-005

0,0011584

14

0,008

6,9372Е-006

-5,5497Е-008

6,8817Е-006

15

0,002

6,8954Е-006

-1,3791Е-008

6,8817Е-006

16

0,006

1Д567Е-005

-6,9399Е-008

1Д497Е-005

17

0,008

4,9366Е-005

-3,9493Е-007

4,8971Е-005

18

0,006

4,9267Е-005

-2,956Е-007

4,8971 Е-005

19

0,002

4,9069Е-005

-9,8139Е-008

4,8971Е-005

20

0,004

4,9168Е-005

-1,9667Е-007

4,8971 Е-005

21

0,008

4,9366Е-005

-3,9493Е-007

4,8971Е-005

22

0,004

4,9168Е-005

-1,9667Е-007

4,8971 Е-005

23

0,007

4,9316Е-005

-3,4522Е-007

4,8971Е-005

24

0,006

4,9267Е-005

-2,956Е-007

4,8971Е-005

25

0,03

0,00051341

-1,5402Е-005

0,00049801

26

0,02

0,00050817

-1,0163Е-005

0,00049801

2. Определение размеров ущерба 7t(*), сопутствующего всем конечным исходам рассматриваемой диаграммы (см. правую колонку табл. 7.3 — последние 11 значений), также проведено на основе эмпирических сведений. Это обусловлено не только низкой достоверностью и повышенной трудоемкостью прогнозирования данного пара-

метра с помощью соответствующих моделей, но и необходимостью учета специфики функционирования конкретной теплоэлектростанции, включая ее отношения с потребителями электроэнергии. Вот почему указанные в этой таблице величины следует расценивать как средние оценки, допустимые для применения в рассматриваемом здесь иллюстративном примере.

Что же касается указанных в правой части рис. 7.5 форм причинения ущерба (разрушение, повреждение, гибель), то их правдоподобность может быть подтверждена результатами моделирования с помощью параметрических формул. Например, приближенный прогноз последствий поражающего действия осколков, образовавшихся при наступлении наиболее разрушительных исходов разгона турбины (см. события с кодами 111 и 112), можно осуществить с помощью следующих уравнений: уравнения величины кинетической энергии и центробежной силы — исходя из накопленной осколками энергии Эк; уравнение аэродинамического сопротивления атмосферы — с учетом силы Fac аэродинамического сопротивления их движению, уравнения определения доли пострадавших людей либо вероятности причинения им ущерба — по эрфик и пробит-функциям. В последнем случае необходимо также использовать значения параметров а,Ъ и DP функции Pr(DP), что позволяет определить вероятность Prob(Pr) причинения техногенного ущерба конкретной формы.

В частности, было выявлено, что энергия Эк, накопленная рабочей лопаткой ротора низкого давления турбин типа К-300, оценивается десятками килоджоулей, а потому в состоянии не только пробить корпус статора, но и образовать массивные осколки, разлетающиеся со скоростью, достаточной для причинения значительного ущерба. В самом деле, если подобные осколки обладают даже сравнительно небольшими массой (0,1 кг < т < 4,2 кг) и скоростью ((7=7 м/с = = 25 км/ч), то им будут соответствовать следующие значения параметров пробит-функции: а = -13,2, Ъ = 10,5 и DP = 1п7 = 1,9420. В этих условиях величина этой функции и определяемая ею вероятность Q( причинения конкретного ущерба (например, гибели человека из состава персонала, код исхода — 112) оказываются соответственно равными Рг = -13,2 + 10,5 • 1,946 = 7,2 и Prob(Pr) = Q, (112) > 0,909.

Что же касается математического ожидания среднего ущерба от разгона турбины типа К-300, то его значение рассчитано следующим образом:

где Q(, Yt — значения безусловных вероятностей и ущерба, взятых из правой части табл. 7.3.

Сопоставление только что полученных данных с результатами предварительной (качественной) оценки мер возможности и тяжести проявления исследуемой здесь чрезвычайной ситуации, полученными по методикам гл. 7, свидетельствует об их определенном согласии. Действительно, полученные при этом полуколичественные оценки вероятности разгона турбины (Мв= 0,45 —> «не обычно, но возможно — неопределенно возможно») и размеров ожидаемого среднего ущерба от данного техногенного происшествия (Му= 0,35 —» —> «ниже среднего — средний») соответствуют как количественным значениям прогнозируемой здесь вероятности Qrc(X) = 0,000026 резкого изменения скорости оборотов рассматриваемого ОТУ за указанное время, так и ожидаемому при этом среднему ущербу Y = 80 000 у.е.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >