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.

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;

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.

Дерево событий-исходов (правая часть диаграммы)

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.

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) = 0,26 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 Q_t(* |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.

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

2. Определение размеров ущерба 7_t(*), 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 Э_к; уравнение аэродинамического сопротивления атмосферы — с учетом силы F_ac 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 Э_к, 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₍, Y_t — 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 (М_в= 0,45 —> «не обычно, но возможно — неопределенно возможно») и размеров ожидаемого среднего ущерба от данного техногенного происшествия (М_у= 0,35 —" —> «ниже среднего — средний») соответствуют как количественным значениям прогнозируемой здесь вероятности Q_rc(X) = 0,26 резкого изменения скорости оборотов рассматриваемого ОТУ за указанное время, так и ожидаемому при этом среднему ущербу Y = 80 000 у.е.