XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение.

Эффективность и безопасность системы централизованного теплоснабжения в целом и котельной, как ее ключевого элемента, в значительной степени определяются надежностью распределительных тепловых сетей. Котельная, даже оснащенная современной автоматизированной системой управления (АСУ), не может обеспечить стабильное снабжение потребителей, если транспортирующая инфраструктура характеризуется высокой аварийностью. Надежность АСУ котельной следует рассматривать не изолированно, а в неразрывной связи с надежностью тепловых сетей, поскольку сбои и аварии на магистралях напрямую приводят к нарушениям гидравлических и тепловых режимов, дестабилизируя работу всей системы [1].

В современных условиях, характеризующихся значительным физическим и моральным износом трубопроводов, проблема обеспечения надежности становится особенно острой. Ненадежные тепловые сети приводят к колоссальным теплопотерям, аварийным остановкам и, как следствие, к перебоям в теплоснабжении в холодный период, что создает социальные риски. Таким образом, задача проектного расчета и повышения надежности АСУ котельной неотделима от комплексной оценки и улучшения показателей надежности самой теплосетевой инфраструктуры. Целью данного исследования является проведение такого анализа и количественная оценка вероятности безотказной работы тепловых сетей как основы для принятия решений по модернизации АСУ и всей системы теплоснабжения.

Анализ надежности котельной для теплоснабжения

Энергоэффективность теплоснабжения зависит от надежности тепловых сетей. Тепловые сети представляют собой чрезвычайно нестабильное звено систем теплоснабжения, в особенности при их подземной прокладке. Это, прежде всего, вызвано низким качеством используемых ранее конструкций тепловых коммуникаций, теплоизоляции, регулирующей арматуры, неудовлетворительным автоматическим регулированием процессов транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии, моральным и физическим износом трубопроводов и генерирующего оборудования в условиях постоянного дефицита финансирования. Кроме всего прочего, в больших системах структура тепловых сетей не совпадает с их масштабами [2].

Сеть центрального теплоснабжения не располагает стопроцентным резервированием, так как фактическое состояние всех участков теплопровода, которые требуют замены, определить невозможно. В энергосистеме ремонт производится по текущему состоянию, а не, как положено, по нормативным показателям. Изношенные тепловые сети приводят не только к большим тепловым потерям, но и к серьезным производственным авариям в виде полного размораживания системы теплоснабжения в холодное время года, что может привести к неудобствам или даже гибели людей. Снизить вероятность возникновения аварий возможно с помощью модернизации оборудования, противоаварийной защиты и внедрении современных систем контроля [3].

Надёжность обеспечения качественных показателей тепловой энергии и безотказность этого теплоснабжения есть общепринятый критерий эффективности работы системы центрального теплоснабжения, надежность которой оценивается по вероятности её безотказной работы (ВБР). Задачей системы центрального теплоснабжения является обеспечение бесперебойного снабжения потребителей тепловой энергией.

Для тепловой сети минимально допустимый показатель ВБР составляет , для источника теплоты , для абонентских установок потребителей [4]. ВБР системы центрального отопления должна примерно равняться .

Чтобы оценить надежность работы тепловых сетей города Самары, построим математическую модель на основе методологии системного анализа сложных производственных систем.

Избыточные потери теплоносителя тепловой сети, по большей части, являются отказами в работе тепловой сети. Это связано с нарушенной работой запорной арматуры или появлением утечек в теплопроводах.

Тепловые сети восстанавливаются путем замены неисправных запорных устройств и реконструкцией поврежденных участков трубопровода.

Продолжительность службы тепловой сети существенно превосходит время предотвращения отказов, а характер отремонтированной сети не зависит от событий, произошедших в период отказов.

Исходя из выше сказанного, поток отказов не обладает последействием, а условия появления событий независимы во взаимно не пересекающихся интервалах времени [5].

Поток отказов тепловой сети имеет свойство ординарности, что указывает на то, что вероятность множественных событий интервале пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью ровно одного события в этом интервале [6].

Приблизительно определив ВБР тепловой сети в течении года, можно предположить, что поток отказов имеет стабильный характер, то есть обладает стационарностью, при этом параметр потока отказов можно принять независимым от времени [7].

Это предположение справедливо, так как временной интервал, за который проводится анализ надежности работы тепловой сети (один год), относительно невелик на фоне рассчитанного времени эксплуатации тепловой сети, составляющее около 30 лет [8].

На основании вышеизложенного, можно смело сказать, что поток отказов тепловой сети обладает отсутствием последствий и свойствами стационарности и ординарности, к тому же, его можно считать простейшим [9].

Следовательно, вероятность появления отказов будет подчиняться закону Пуассона [1].

где – количество отказов за время ; - рассматриваемый период эксплуатации, для нашего случая примем год; - параметр потока отказов тепловой сети.

Вероятность того, что за 1 год на тепловой сети не произойдет ни одного отказа будем оценивать по выражению:

Параметр потока отказов оценивается по формуле:

В соотношении (3) - количество отказов каждого из N объектов за время t.

Рассмотрим как объект тепловой сети область между двумя соседними секционными запорными устройствами, а также одно из присоединённых к нему запорных устройств. Следовательно для двухтрубной системы теплоснабжения количество участков тепловой сети составит:

где n – количество участков тепловой сети.

Согласно [10] максимальное расстояние между двумя соседними запорными устройствами составляет для Ду ≤ 100мм – 1000м, 400-500 мм – 1500м, для Ду≥600 мм – 3000м. В первом приближении примем среднее значение длины одной секции равным 1500 м. Тогда:

Количество отказов ищем подобным образом, принимая, что на трубах, которые требуют замены, в течение года произойдёт отказ, а вероятность того, что любой из N элементов откажет за время t более 1 раза равной 0.

Тогда:

где

Используя статистические данные по протяженности и состоянии тепловых сетей в г.о. Самара из таблицы 3, оценим вероятность безотказной работы тепловой сети за весь рассматриваемый период с помощью формул (1)-(7).

Таблица - 3 Статистические данные по протяженности и состоянии тепловых сетей в г.о. Самара

Результаты расчёта приведены в таблице 4.

Таблица - 4 Расчёт ВБР тепловых сетей

Анализ расчетных данных, которые приведены в таблице 4, показывает, что, ВБР тепловых сетей за период с 2013 по 2023 гг. колеблется в пределах от 0,648 до 0,78, её величина далека от требуемых значений, а значит, не удовлетворяет требованиям СП «Тепловые сети» [10].

Заключение.

Проведенное исследование и расчеты надежности тепловых сетей г. Самары за период 2013–2023 гг. наглядно продемонстрировали, что их текущее состояние не соответствует нормативным требованиям. Полученные значения вероятности безотказной работы (ВБР), варьирующиеся в диапазоне 0,648–0,78, существенно ниже минимально допустимого уровня в 0,9. Это свидетельствует о системно высокой аварийности, которая является ключевым лимитирующим фактором для надежности всей системы теплоснабжения, включая работу АСУ котельной.

Низкая ВБР тепловых сетей обусловлена значительной протяженностью изношенных участков, требующих замены. В статье показано что, математическая модель на основе пуассоновского потока отказов адекватно отражает характер возникновения неисправностей и позволяет количественно оценить риски. Полученные результаты подтверждают, что без масштабной реконструкции и планомерной замены устаревших участков трубопроводов усилия по модернизации только лишь АСУ котельной не приведут к кардинальному повышению надежности теплоснабжения в целом.

Таким образом, для достижения требуемых показателей надежности и бесперебойности необходимо реализовать комплексный подход. Он должен включать ускоренную программу технического перевооружения тепловых сетей, внедрение современных систем диагностики и мониторинга, а также совершенствование алгоритмов АСУ котельной для адаптивного управления в условиях меняющегося состояния сетевой инфраструктуры. Только такой системный подход позволит минимизировать риски аварий и обеспечить устойчивое теплоснабжение потребителей.

Список литературы.

1. Шишмарёв, В. Ю. Диагностика и надежность автоматизированных систем : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / В. Ю. Шишмарёв. — Москва : Издательский центр «Академия», 2013. — 352 с.

2. ГОСТ 27.002-­89. Надёжность в технике. Основные понятия. Тер­мины и определения.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2008. 32 с.

3. ГОСТ 24.701-­86. Надежность автоматизированных систем управления.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2009. 12 с.

4. Письмо министерство энергетики Российской Федерации: сайт. – URL: https://docs.cntd.ru/document/607167779/ (дата обращения: 03.11.2025)

5. Оценка надежности теплоснабжения Межозерного городского поселения: сайт. – URL: https://me.verhneuralsk.ru/Upload/files/ (дата обращения: 03.11.2025)

6. Гаврилова А.А., Диязитдинова А.Р., Цапенко М.В. Основы теории систем и системный анализ: лаборат. практикум / Сост. А.А. Гаврилова, А.Р. Диязитдинова, М.В. Цапенко. - 2-е изд. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2019. – 88 с.

7. Гаврилова А.А., Салов А.Г., Системная методология анализа: монография. - Самара: Самарский государственный технический университет; Научно-исследовательский центр, 2021. - 276 с.

8. Салов А.Г., Сагитова Л.А. Системный анализ надёжности централизованного теплоснабжения города Самары // Вестник Самарского государственного технического университета. 2018.

9. Гаврилова А.А., Салов А.Г. Системная методология анализа и моделирования энергоэффективности генерирующих компаний: монография. Самара: Изд-во ООО "Научно-технический центр", 2021. – 277 с.

10. СП 124.13330.2012. Тепловые сети: свод правил: утв. МинРегионом России 30.06.2012: взамен СНиП 41-02-2003: срок введ. в д. 01.01.2013 МинРегион России. – Изд. офиц. – Москва: МинРегион России, 2012. 73 с.