2.2. Постановка задачи о взвешивании аддитивных функциональных показателей.43.
2.3. Принцип моделирования рисков аддитивных характеристик.45.
2.4. Взвешивание аддитивных функциональных показателей по неаддитивным характеристикам.50.
2.5. Взвешивание аддитивных функциональных показателей по обобщениям качественных характеристик.51.
2.6. Взвешивание аддитивных функциональных показателей по комбинациям неаддитивных характеристик.54.
2.7. Взвешивание комбинаций аддитивных показателей по неаддитивным характеристикам.55.
2.8. Взвешивание комбинаций аддитивных показателей по комбинациям неаддитивных характеристик.57.
2.9. Основные итоги и выводы.58.
3. вычислительный эксперимент: анализ структуры и свойств распределений рисков.60.
3.1. Определение моделей удельных весов и цен.60.
3.2. Обобщение и комбинирование моделей распределений цен.66.
3.3. Обобщение и комбинирование моделей распределений удельных весов.74.
3.4. Полная схема обобщений и комбинаций.82.
3.5. Принципиальное изменение вида распределений для моделей удельных весов.85.
3.6. Свойства обобщений и комбинаций при новом определении.89.
3.7. Полная схема обобщений и комбинаций по второму принципу.101.
3.8. Основные итоги и выводы.103.
4. оценивание рисков функционирования системы и управление состоянием тепловых сетей (на примере г. кемерово).
4.1. Особенности функционирования в связи с созданием теплосетевых компаний.106.
4.2. Общий анализ состояния тепловых сетей.108.
4.3. Оценивание рисков эксплуатации участков повышенной аварийности в городской системе теплоснабжения.116.
4.4. Дефектоскопия магистралей при управлении с учетом оценок риска.122.
4.5. Обсуждение достоверности оценок риска теплопроводной системы.129.
4.6. Основные итоги и выводы.133 заключение.134 список литературы.135.
ОАО «Кузбассэнерго» вырабатывает до 30% всей энергии Сибири. На балансе Управления тепловых сетей находится порядка 500 км магистралей (в однотрубном исчислении) только в городах Кемерово и Новокузнецке. При этом часть тепловых сетей передана градообразующим предприятиям (например, Беловская ГРЭС, Южно-Кузбасская ГРЭС и др.).
Кемерово располагает тремя основными теплоисточниками: ГРЭС, КЭС и ТЭС. Имеющаяся водогрейная котельная неэкономична и работает только в «пиковом» режиме.
Главной особенностью низкой экономичности и производительности является то, что все станции работают на углях разных марок от Т (тощий) до СС (слабоспекающийся).
Установлен температурный режим 150/70°С, со срезкой на 125″ С. Около четверти магистрали является теплонапряженной, практически весь зимний период там держится 13 8° С и давление 14−15*^/^. В остальной части сохраняются средние показатели: 107° С, 11кгс/ 2. см.
Совместно с экспертной организацией оценен максимальный уровень потерь — 10% (в среднем по году, с колебаниями от 12% до 8,6%).
Нехватка тепловой нагрузки составляет в Кемерове около 130 Гкал, а в Новокузнецке — 165 Гкал. Причем дефицит определяется пропускной способностью системы.
При общем удовлетворительном состоянии тепловых сетей около 44,6% трубопроводов (около 200,2 км) служат более 20 лет и являются потенциально опасными. Именно состояние трубопроводов определяет качество и надежность функционирования систем теплоснабжения, поэтому для анализа выделена эта проблема.
Ежегодное проведение гидравлических испытаний и использование метода неразрушающего контроля в нормальных режимах работы позволяет выявлять участки повышенной аварийности, наличие которых резко снижает надежность теплоснабжения городов. Общая длина участков повышенной аварийности в настоящее время составляет 37,486 км.
В период 2002;2004 годов отмечено некоторое увеличение количества повреждений тепловых сетей при проведении испытаний. В 2002 году было получено 423 повреждения (в обоих городах), в 2003 году произошло 415 повреждений, а в 2004 году — 469 шт.
В 2005 году на ряде участков в соответствии с нормативами испытательное давление снижено с 20 до 16кгс/ 2, вследствие этого число повреждений сни см зилось до 280 шт. Таким образом, недостаток ресурсов пытаются компенсировать «щадящими» режимами функционирования.
Объем замены теплотрасс остается явно недостаточным:
— в 2002 году — 11,126 км или 2,3% общей протяженности;
— в 2003 году — 8,137 км или 1,7%;
— в 2004 году — 6,768 км или 1,5%;
— в 2005 году — 7,286 км или 1,6%.
В то же время оценка состояния требует для исправления создавшегося положения к 2010 году заменять ежегодно 20−25 километров трубопроводов. Реализовать это условие в настоящее время невозможно, поэтому резко возрастает значение и актуальность избирательных ремонтов на основе оценивания рисков.
В настоящее время планируется разработка проекта оптимизации схемы теплоснабжения (сначала г. Кемерово, где планом комплексного развития предусмотрено увеличить к 2010 году нагрузку до 600 Гкал). Уже начали заниматься домовыми сетями, узлами учета. При администрации города создана специальная комиссия, которая занимается регулировкой городских теплосетей.
Рост теплопотребления в течение 2002;2005 годов связан с увеличением количества абонентов и незапланированным подключением тепловой нагрузки. В отдельных кварталах отмечаются заметные отклонения от расчетных гидравлических режимов. Превышение объемов циркуляции теплоносителя в 1,5−2 раза создает повышенную нагрузку на тепломагистрали и расход электроэнергии.
При имеющемся недогреве прямой сетевой воды наблюдается значительное завышение температуры обратной сетевой воды, что влечет:
— увеличение тепловых потерь;
— увеличение потерь давления;
— уменьшение располагаемого напора перед теплопотребителем,.
Т.е. в целом нерациональное использование тепловой энергии.
Таким образом, и в этой части актуальным становится исследование отдельных участков тепломагистралей и детализация факторов.
Анализируя состояние теплоснабжения с учетом перспективной застройки, приходится отметить дефицит тепловой энергии по левому берегу г. Кемерово (источники тепла — Кемеровская ГРЭС, Ново-Кемеровская ТЭЦ, Заискитимская водогрейная котельная) — 36 Гкал/ч. По правому берегу дефицита тепловой мощности на Кемеровской ТЭЦ нет, но резерв составляет всего 44 Гкал/ч.
Кроме того, существует дефицит пропускной способности тепломагист-ралей:
— т/м II 2D 600 мм от БУ-1 КемГРЭС 327^/- ч '.
— т/м III 2D 1 ООО мм от БУ-3 70MVч'.
— т/м IV 2D 800 мм от БУ-4 1220 МУ. ч.
В соответствии с требованием Администрации г. Кемерово об инженерном обеспечении перспективных территорий встает стратегическая задача повышения тепловой мощности на 380,14 Гкал/ч. На этом фоне возрастает актуальность и важность тактических задач по эффективной эксплуатации и поддержанию надежности существующих магистралей в условиях ограниченных ресурсов.
Актуальность темы
исследования.
Преобразования экономики страны вызвали интерес к исследованию и, главное, количественному оцениванию риска функционирования производственных объектов. Наибольшую актуальность и интерес представляют системы, для которых принципиально невозможно получить надежные эмпирические эталоны состояния. Для так называемых уникальных объектов в ИУУ СО РАН развит энтропийный метод в пространствах состояний, прошедший апробацию при принятии критических решений по реструктуризации угольной отрасли.
Для столь радикального преобразования не удалось найти решений экс. пертными методами. Эта проблема подробно освещена в первых работах по энтропийному анализу с акцентом на системы угледобычи.
Отражение опыта эксплуатации теплосетей в планах затрат на ремонт по отдельным участкам делает управление более рациональным, но из-за неразработанности методики оказывается мерой недостаточной. Техническое обслуживание по фактическому состоянию, оцениваемому по данным дефектоскопии трубопроводов, позволяет учесть дополнительные факторы, но не сохраняет приоритетов потребителей.
Для принятия решений по распределению ресурсов среди участков — элементов системы, планированию технического обслуживания и ремонта, строительства резервных трубопроводов необходимо оценивать не только функциональную надежность тепловых сетей города, но и возможные потери (ущерб) при их эксплуатации. Интегральным показателем для решения указанных задач принято использовать модель риска, определяемого как произведение вероятности возникновения отказов на цену потерь (ущерба) вследствие аварии и восстановлении трубопроводов.
С учетом требований лица, принимающего решения (ЛПР), оценка вероятности критических и нежелательных событий может базироваться различных функциональных показателях, но, главное, в определении цен должны предусматриваться как финансовые, так и экологические, социальные и прочие характеристики. Но для этого необходима разработка методики, использующей их относительные аналоги или соотношения между элементами.
Таким образом, обосновывается следующая постановка задачи: для сопоставления элементов при управлении системой оцениваются нормированные риски, определяемые через произведение удельных весов элементов в показателях режима работы (косвенных характеристик вероятности возникновения аварий) на соотношение цен — показателей ущерба при отказе отдельного элемента. Определение удельных весов и цен через параметры трубопроводов выбирается в соответствии с гипотезой о накоплении повреждений в рабочих режимах, но дополнительными требованиями к принятию решений предложено учитывать социальные последствия нарушения теплоснабжения города. В работе условно разделены эксплуатационные риски (при учете затрат на восстановление) и риски функционирования, дополненные оценкой социальных последствий.
Актуальность разработки научно обоснованной методики оценивания нормированных рисков обосновывается следующими специфическими требованиями:
— на основе опыта эксплуатации или по заключению ЛПР для определения удельных весов и цен выбирается номенклатура показателей, имеющих различную природу и/или размерностьразумеется, можно ограничить задачу, но это приведет к обеднению результатов;
— системы теплоснабжения неоднородны по структуре, т. е. могут содержать элементы, находящиеся в разных видах состояния (в том числе, аварийном) и имеющие различное функциональное назначение;
— описания систем теплоснабжения (в форме перечней «элементы — показатели») являются неупорядоченными в строгом смысле, т. е. допускают произвольные перестановки и не приводятся к форме зависимости от аргумента.
Доказано, что данным условиям удовлетворяют математические модели, предложенные в энтропийном методе анализа уникальных систем. Однако даже этот базовый метод потребовал доработки для того, чтобы включить в анализ внешние по отношению к системе характеристики (в частности — цены социальных последствий). Этим определилась дополнительная актуальность конкретного способа оценивания рисков.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами Института угля и углехимии СО РАН (№ г. р. 01.200 109 778). Результаты использованы при выполнении НИР по договору с Федеральным агентством энергетики (государственный контракт № 04-ОП-05 от 22 апреля 2005 г.).
Цель исследования состоит в обосновании и разработке способа оценивания нормированных рисков функционирования трубопроводов по показателям различной природы и размерности для управления состоянием уникальных систем теплоснабженияв частности, системы г. Кемерово после реорганизации.
Из опыта энтропийного анализа перенесено оправдавшее себя на практике правило — результаты анализа не содержат осреднений и должны быть строго привязаны к «адресам» элементов. Кроме того, комплексные характеристики типа риска являются моделями и не подлежат прямому измерению на практике. В этом случае не могут быть использованы регрессионный, факторный и подобные им методы математической статистики. Результаты оценивания и анализа рисков по выборке данных рассматриваются как диагноз текущего состояния, для которого информация о предыдущих этапах и прошедших видах состояния имеет только познавательную ценность.
Для рассматриваемых систем принята гипотеза о накоплении повреждений, и риск оценивается в пропорции с режимными параметрами, длиной, сроком службы труб и т. д. Из опыта энтропийного анализа перенесены жесткие условия — результаты анализа должны быть строго привязаны к «адресам» элементов и представлены количественными соотношениями (мерами).
Целесообразно различать функциональные показатели по природе — аддитивные и неаддитивные. К первой группе могут быть отнесены валовые характеристики, а ко второй — разного рода относительные, например, формы производительности, себестоимости и т. п. В зависимости от формулировки сложных свойств на базе одних оцениваются «удельные веса», тогда другие служат для определения «цен». Внутри групп по доказанным в базовом методе правилам реализуется комбинирование, т. е. суммирование с учетом знака (направленности фактора), но не показателей, а их моделей.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: 1. Проверить возможность и обосновать целесообразность использования типов моделей показателей, ранее разработанных в энтропийном методе, для преобразования выборочных данных о функционировании тепловых сетей и их комбинирования в соответствии с мнением лиц, принимающих решения (ЛПР).
2. Разработать и обосновать аналитический способ оценивания нормированных рисков по показателям функционирования тепловых сетей и параметрам потребителей.
3. Провести тестирование способа и по результатам вычислительного эксперимента разработать правила трактовки особенностей формирования рисков, связанных с обеспечением комплексных свойств по требованию ЛПР.
4. Провести апробацию способа оценивания нормированных рисков для наиболее опасных участков (на примере г. Кемерово) с учетом социальной роли системы теплоснабжения и получить основания для принятия решений при управлении состоянием.
Объектом исследования является система теплоснабжения г. Кемерово, отличающаяся тем, что вследствие недавней (2004 г.) структурной перестройки для нее не выработаны надежные статистические эталоны видов состояния.
Предметом исследования выступают математические модели выборочных функциональных показателей и параметров внешней среды (в данном случае — социальные), аналитические и численные модели нормированных рисков.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы технической диагностики, системного анализа, математического моделирования, теории информации, математической статистики и эконометрии. Обоснование моделей опирается на методы анализа динамических систем. Большую роль в работе играет вычислительный эксперимент.
Научная новизна работы.
1. Предложен подход и способ оценивания нормированных рисков и ранжирования элементов систем теплоснабжения по степени опасности функционирования (снабжения потребителя) без привлечения недостаточно надежных эмпирических заключений и аналогий с другими системами.
2. Обоснован прием практического повышения надежности анализа и достоверности результатов оценивания нормированных рисков на основе обобщения моделей функциональных показателей различной природы и размерности. Напротив, комбинирование моделей показателей (как форма учета затраченных ресурсов по требованию ЛПР) повышает информативность и чувствительность моделей рисков.
3. Поставлена и реализована тестовая задача по проверке аналитических моделей рисков, обеспечивающая репрезентативность и полноту результатов вычислительного эксперимента.
4. Получены оценки нормированных эксплуатационных рисков и рисков функционирования системы теплоснабжения города с учетом ее социальной роли (параметрами потребления в жилом секторе), обеспечивающие принятие решений при управлении состоянием.
На защиту выносится:
1. Определение удельных весов элементов коммуникаций, которое моделирует специфику конкретной системы теплоснабжения через выбранную совокупность показателей и, наоборот — учитывает затраченные ресурсы. Разработанные модели нормированных рисков элементов учитывают в форме цен параметры тепловых сетей и потребителей.
2. Обобщение моделей удельных весов и/или цен, которое является приемом практического повышения достоверности оценок нормированных рисков за счет расширения номенклатуры показателей по выбору ЛПР. Комбинирование, напротив, представляет прием детализации и выявления скрытых особенностей в системе.
3. Прием тестирования способа оценивания нормированных рисков, который гарантирует учет и исследование в системе различий, которые признаются значимыми по структурному критерию. С другой стороны, полнота группы моделей делает результаты вычислительного эксперимента представительными.
4. Результаты обнаружения пиковых уровней нормированных рисков и выявления опасных участков. Для системы теплоснабжения г. Кемерово накопление повреждений увеличивает неоднородность распределения рисков по участкам (возрастание коэффициента вариации на Ду «24%), а учет социального фактора — количества потребителей — меняет картину радикально (Av «49,3%). Таким образом, уменьшается неопределенность выбора рациональной последовательности ремонтов и управления ресурсами.
Личный вклад автора заключается:
— в обосновании задачи определения нормированных рисков в системе теплоснабжения города по функциональным показателям, которые могут иметь разную природу и размерность;
— в разработке правил обобщения и комбинирования удельных весов и цен для отражения комплексных свойств систем теплоснабжения;
— в обосновании идеи и проведении тестирования способа оценивания нормированных рисков и в развитии правил интерпретации результатов вычислительного эксперимента;
— в постановке и реализации задачи оценивания опасности функционирования элементов (участков) системы теплоснабжения города по уровню нормированных рисков.
Практическая ценность.
Результаты работы позволяют:
— проводить ранжирование элементов систем теплоснабжения по степени опасности и на этой основе планировать техническое обслуживание и ремонт;
— выявлять слабые звенья и/или ограниченные ресурсы в системах теплоснабжения;
— оценивать степень опасности и сравнивать элементы по влиянию на комплексные свойства: производственный потенциал, конкурентоспособность, инвестиционную привлекательность и т. п.;
— вводить в оценки рисков поправки на специфические экономические, экологические, социальные и прочие характеристики;
— получать текущие оценки нормированных рисков функционирования тепловых сетей городов при разных способах прокладки труб;
— распространить способ оценки нормированных рисков на другие системы коммуникаций (водопровод, электроснабжение, связь и т. п.).
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов:
— обеспечивается корректной постановкой задачи оценивания нормированных рисков на основе строгих моделей, состоящих во взаимно однозначном соответствии с выборочными данными;
— доказывается обширными результатами тестового вычислительного эксперимента, подчеркивающими различие ролей удельных весов и цен в формировании рисков;
— подтверждена сходимостью моделей с опытом эксплуатации, выраженным через плановые показатели, которые косвенно характеризуют уровень риска, и фактические затраты времени на обслуживание и ремонт.
Реализация работы.
Результаты использованы при выполнении договора с Федеральным агентством энергетики (государственный контракт № 04−01Т-05 от 22 апреля 2005 г.).
Методика оценивания рисков принята и утверждена ОАО «Кузбассэнерго».
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и получили одобрение на IV Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (Кемерово, 2005), Международной конференции «Математические модели природных и техногенных катастроф» (Кемерово, 2005), Всероссийском совещании по теплоэнергетике (Кемерово, 2005), Международной «Неделе горняка» (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ и препринт ИУУ СО РАН.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 137 страницах. Библиографический список содержит 51 источник. В работе имеется 109 рисунков и 5 таблиц.
Основные результаты и выводы состоят в следующем:
1. Непосредственно по выборкам показателей функционирования тепловых сетей и параметров режима транспортирования и потребления энергии без внесения погрешностей (кроме определения элементарных функций) определяются удельные веса, цены и удельные риски в соответствии с гипотезой накопления повреждений. На всех стадиях преобразования сохраняется «адрес» исследуемого трубопровода, что доказывает возможность использования данных моделей рисков. Ряд важных решений может быть получен без привлечения априорных (эмпирических) данных, т. е. для уникальных тепловых сетей.
2. Предложены математические модели удельных рисков, которые позволяют повысить практическую достоверность анализа за счет использования обобщений удельных весов и цен или, наоборот — обеспечить детальность на основе комбинаций, учитываемых затраченные ресурсы. Отличительной особенностью формы моделей является возможность учесть требования ЛПР простой подстановкой выборочных данных (показателей теплоснабжения и параметров потребления) в итоговые оценки.
3. Для тестирования способа предложены модели удельных весов и цен, образующие представительный набор. Вычислительный эксперимент выявил особенности формирования рисковподтвердил результаты аналитического исследования и дал дополнительные доказательства актуальности темы, указав на возможность нетривиальных эффектов (выбросы пиковых значений, скачкообразное изменение знака и т. д.).
4. Проведен анализ системы теплоснабжения города Кемерово с учетом сложившихся цен срока службы и типоразмера трубопровода, которые оказывают дифференцирующее влияние на оценки удельных рисков. Коэффициент вариации распределения рисков на Av"24% превышает показатель исходного распределения удельных весов. Следовательно, выбор объектов ремонта приобрел целенаправленность и строгие адресности.
Введение
«социальной» поправки еще сильнее уменьшило неопределенность выбора (Av"49,3%). В частности, установлено, что на 4 участках сконцентрировано около 53,6% риска эксплуатации городских сетей. Результаты подтверждены практикой в форме сходимости с косвенными показателями.
Заключение
.
