Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ  
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
С.А. Беляев, А.В. Воробьев, В.В. Литвак  
 
 
 
 
 
НАДЕЖНОСТЬ  
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО  
ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС  
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2015 

УДК 621.311.22.002.5:621.1-192(075.8) 
ББК  31.37:31.277.1-5я73 
Б44 
 
Беляев С.А. 
Б44  
Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС : учебное пособие / С.А. Беляев, А.В. Воробьев, В.В. Литвак ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 248 с. 

 

В пособии приведен анализ надежности котлов, турбин, трубопроводов 
и вспомогательного оборудования электростанций. Дан перечень основных 
аварий и инцидентов, имевших место в энергосистемах и на электрических 
станциях; приведены их причины. Изложены вопросы теории надежности 
систем, закономерности определения ресурса объектов, методы расчета показателей надежности структурных схем энергоблоков и узлов оборудования. 
Рассмотрено влияние человеческого фактора на надежность теплоэнергетических систем, приведены пути обеспечения надежности средствами проектирования, изготовления и эксплуатации. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.04.01 
«Теплоэнергетика и теплотехника». 
 
УДК 621.311.22.002.5:621.1-192(075.8) 
ББК 31.37:31.277.1-5я73 
 
 
 
Рецензенты 
Доктор технических наук, профессор ТГАСУ 
С.А. Карауш 
Председатель правления НП «Региональный центр  
управления энергосбережением», заслуженный энергетик РФ  
М.И. Яворский 
 
 
 
 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2015 
© Беляев С.А., Воробьев А.В.,  
Литвак В.В., 2015 
© Оформление. Издательство Томского 
политехнического университета, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................... 6 

ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ ... 13 
1.1. Общие понятия надежности .................................................................. 13 
1.1.1. Отказы и их классификация ............................................................ 15 
1.1.2. Основные свойства надежности ..................................................... 17 
1.1.3. Другие понятия и свойства, характеризующие  
надежность объекта ......................................................................... 19 
1.2. Количественные показатели надежности ............................................ 19 
1.2.1. Классификация показателей надежности ...................................... 19 
1.2.2. Показатели безотказности объекта ................................................. 20 
1.2.3. Показатели долговечности объекта ................................................ 21 
1.2.4. Показатели ремонтопригодности объекта ..................................... 22 
1.2.5. Комплексные показатели надежности   
(показатели готовности) объекта .................................................... 23 
1.3. Экономические показатели надежности .............................................. 25 
1.3.1. Безразмерные экономические показатели ..................................... 25 
1.3.2. Недоотпуск электроэнергии и тепла .............................................. 27 
1.4. Номенклатура показателей надежности   
теплоэнергетического оборудования тепловых электростанций ......... 28 
Контрольные вопросы по теме 1 .................................................................. 32 
Список использованных источников по теме 1 ......................................... 33 

2. ОТКАЗЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ 
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ..................................................................................... 36 
2.1. Аварии в электроэнергетике .................................................................. 36 
2.1.1. Крупные аварии в энергетических системах ................................. 36 
2.1.2. Резонансные аварии на электрических станциях разного типа ... 38 
2.2. Причины отказов теплоэнергетического оборудования .................... 42 
2.3. Фактическая надежность котельного оборудования   
тепловых электростанций ..................................................................... 49 
2.4. Отказы в работе турбинного оборудования ........................................ 56 
2.5. Отказы вспомогательного оборудования   
и систем регулирования ........................................................................ 63 
Контрольные вопросы по теме 2 .................................................................. 64 
Список использованных источников по теме 2 ......................................... 65 

3. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ 
НАДЕЖНОСТЬЮ ........................................................................................... 67 
3.1. Общие сведения и определения ............................................................ 67 
3.2. Порядок организации и проведения расследования   
причин аварий в электроэнергетике .................................................... 71 
3.2.1. Порядок расследования причин аварий ......................................... 73 

3.2.2. Порядок оформления результатов расследования ........................ 76 
3.2.3. Структура и содержание акта расследования ................................ 77 
3.2.4. Порядок систематизации информации об авариях   
в электроэнергетике ......................................................................... 84 
Контрольные вопросы по теме 3 .................................................................. 84 
Список использованных источников по теме 3 ......................................... 85 

4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ...... 86 
4.1. Основные понятия математической теории надежности ................... 86 
4.2. Вероятностные характеристики случайных величин ......................... 92 
4.2.1. Понятие о функции и плотности распределения .......................... 92 
4.2.2. Количественные характеристики случайной величины ............... 96 
4.3. Вероятностные характеристики надежности объектов ...................... 99 
4.3.1. Характеристики надежности невосстанавливаемых объектов .. 100 
4.3.2. Характеристики надежности восстанавливаемых объектов ...... 104 
4.3.3. Комплексные показатели надежности объектов ......................... 107 
4.4. Типичные законы распределения случайных величин ..................... 109 
4.4.1. Распределения дискретных случайных величин ......................... 110 
4.4.2. Распределения непрерывных случайных величин ...................... 113 
Контрольные вопросы по теме 4 ................................................................ 121 
Список использованных источников по теме 4 ....................................... 122 

5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО 
ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС ............................................................................... 124 
5.1. Аналитическое определение надежности   
теплоэнергетического оборудования ................................................. 126 
5.1.1. Метод расчета показателей надежности системы   
с использованием марковских моделей ....................................... 127 
5.1.2. Метод расчета надежности, основанный на использовании 
параллельно-последовательных структур ................................... 132 
5.1.3. Расчет надежности систем с использованием метода  
Монте-Карло ................................................................................... 139 
5.1.4. Оценка надежности по методу «дерева отказов» ........................ 143 
5.2. Статистические методы расчета надежности .................................... 145 
5.2.1. Оценка параметров распределения ............................................... 148 
5.2.2. Проверка правдоподобия гипотез распределения ...................... 151 
5.2.3. Статистическая оценка количественных показателей  
надежности ..................................................................................... 153 
5.3. Физические методы расчета надежности ........................................... 162 
Контрольные вопросы по теме 5 ................................................................ 163 
Список использованных источников по теме 5 ....................................... 164 

6. ОБЩИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ  
НАДЕЖНОСТИ ТЭС .................................................................................... 167 
6.1. Нормативная поддержка обеспечения безопасной   
и надежной эксплуатации тепловых электростанций ...................... 167 

6.1.1. Требования к процессам организации эксплуатации   
и технического обслуживания ...................................................... 168 
6.1.2. Требования к контролю за эффективностью работы ТЭС ......... 170 
6.1.3. Требования к техническому обслуживанию и ремонту ............. 173 
6.1.4. Требования к технической документации ................................... 175 
6.1.5. Требования к обеспечению единства измерений ........................ 176 
6.2. Обеспечение надежности оборудования   
на стадии проектирования .................................................................. 178 
6.2.1. Выбор эффективной тепловой схемы .......................................... 178 
6.2.2. Учет характеристик топлива ......................................................... 180 
6.2.3. Рациональный выбор конструкционных материалов ................. 181 
6.2.4. Повышение эффективности механических расчетов ................. 183 
6.3. Обеспечение надежности оборудования на стадии изготовления .. 184 
6.3.1. Новые технологии обработки металлов ....................................... 185 
6.3.2. Совершенствование сварочных технологий ................................ 186 
6.3.3. Современные технологии изготовления теплообменников ....... 188 
6.3.4. Контроль и испытания при изготовлении оборудования ........... 189 
6.4. Обеспечение надежности теплоэнергетического   
оборудования при эксплуатации ........................................................ 194 
6.4.1. Повышение эффективности пуско-остановочных операций ..... 194 
6.4.2. Снижение газовой коррозии поверхностей  нагрева 
котлогрегатов ................................................................................. 195 
6.4.3. Совершенствование водно-химического режима ТЭС .............. 196 
6.4.4. Повышение коррозионно-эрозионной стойкости   
оборудования ТЭС ......................................................................... 197 
6.4.5. Оптимизация графиков ремонтов оборудования ТЭС ............... 197 
Контрольные вопросы по теме 6 ................................................................ 199 
Список использованных источников по теме 6 ....................................... 200 

7. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА НА НАДЕЖНОСТЬ ...... 203 
7.1. Принципы управления человеко-машинными системами  
в энергетике .......................................................................................... 203 
7.2. Подготовка и переподготовка персонала ........................................... 210 
7.2.1. Знания – инструмент роста квалификации персонала ................ 211 
7.2.2. Порядок повышения квалификации работников ........................ 219 
7.2.3. Противоаварийные тренировки персонала .................................. 226 
Контрольные вопросы по теме 7 ................................................................ 228 
Список использованных источников по теме 7 ....................................... 229 

ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................. 230 
 
 
 
 

Эта книга посвящается светлой памяти нашего 
соавтора Сергея Александровича Беляева, замечательного человека и большого педагога, который,  
к сожалению, ушел незадолго до того, как эта книга 
должна была выйти из печати 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Вопросы надежности работы теплоэнергетического оборудования 
тепловых электростанций стали особенно актуальны в настоящее время, 
после осуществления реформирования электроэнергетики, выхода генерирующих компаний на оптовый рынок электроэнергии и мощности. 
Анализ и управление надежностью таких энергетических объектов стало одним из наиболее важных при проектировании и эксплуатации.  
В учебном пособии в соответствии с рабочей программой курса вместе 
с вопросами теоретической оценки надежности подробно рассмотрены 
проблемы управления надежностью при проектировании электростанций, организации ремонтно-эксплуатационного обслуживания. Именно 
управление этими процессами обеспечивает нормативную надежность 
работы оборудования. 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся  
по направлению 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» и может 
быть полезно для студентов других теплоэнергетических специальностей. 

Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания  
по содержанию и качеству оформления работы. 
Авторы 

ВВЕДЕНИЕ 

Основой генерации электрической энергии в России являются тепловые электростанции (ТЭС). В общем объеме установленных мощностей их доля составляет около 68 %. Несмотря на то, что в последние 
10…15 лет активное развитие получили парогазовые станции (ПГУ), 
отличающиеся высоким КПД (до 60 %) и низкими выбросами вредных 
веществ в окружающую среду, в производстве электроэнергии на ТЭС 
до сих пор лидируют традиционные паросиловые электростанции.  
К ним относятся газо-мазутные и твердотопливные электростанции.  
Тепловые электрические станции имеют особенности, отличающие 
их от производственных предприятий других отраслей промышленности. В любой момент времени необходим баланс объема вырабатываемой продукции (электрической и тепловой энергии) и спроса на нее. 
Отсюда следует, что если: 
 невозможно иметь резерв по продукции, необходимо иметь резерв по установленной мощности агрегатов, ее вырабатывающих; 
 по каким-либо причинам снижается выработка, то одновременно 
должно быть снижено потребление; 
 по каким-либо причинам снижается потребление, то одновременно должна быть снижена выработка. 
 должна быть снижена выработка. 
Другая особенность энергетического производства заключается  
в неравномерности производительности на суточном, недельном, месячном и годовом интервалах времени (рис. 1.1–1.3). 
Изменение мощности и производительности во времени носит периодический характер, связанный со сменой и длительностью дня и ночи. Он подчиняется регламенту жизни больших групп людей и имеет 
значительный суточный размах. Отношение максимальной 
макс
P
 и минимальной 
мин
P
 потребляемой мощности может достигать двух.  
Некоторое воздействие на условия формирования графика нагрузок 
оказывают тарифные регулирования, переходы на «зимнее» (летнее) 
время и другие меры. 

Конфигурация 
суточных 
графиков 
потребляемой 
мощности 

(рис. 1.1) зависит от состава и режима работы потребителей электроэнергии. Максимальная неравномерность имеет место в энергосистемах, 
где преобладает нагрузка односменных предприятий и коммунальнобытовых потребителей (например, освещение). Наиболее равномерные 

графики нагрузки характерны для энергосистем с энергоемкими непрерывными производствами (производство алюминия, электростали).  
За последние ряд лет происходило разуплотнение суточных графиков 
нагрузки. Это обусловлено в основном снижением потребления промышленными предприятиями.

Рис. 1.1. Типичный суточный график электрической нагрузки 
энергосистемы: 1 ‒ зимний день; 2 ‒ летний день

Недельный график электрических нагрузок (рис. 1.2) отображает 
колебание нагрузки по дням недели, главным образом за счет выходных 
и праздничных дней.  

 
Рис. 1.2. Характерный график почасового, суточного и недельного 
потребления электроэнергии 

Помимо колебаний нагрузки внутри отдельных недель существуют 
колебания между неделями, вызываемые изменениями продолжительности светлых часов суток, приростом нагрузки.  
Годовая динамика электрической нагрузки (рис. 1.3) показывает 
регулярное и значительное снижение нагрузки летом. Это позволяет 
спланировать ремонтную кампанию оборудования без опасения недоотпуска энергии. 
Конфигурация годового графика месячных максимумов нагрузки 
(рис. 1.3) характеризуется «провалом» в летние месяцы, что характерно 
для районов с холодной зимой и преобладанием промышленной нагрузки. Для регионов с жарким летом максимум годовой нагрузки может 
быть в летние месяцы (большое потребление электроэнергии на кондиционирование воздуха и относительно небольшое потребление электроэнергии промышленной нагрузкой). При этом величина месячного максимума нагрузки рассматривается как наибольшее из значений 
суточных максимумов нагрузки за данный месяц. 

 
Рис. 1.3. Типичные графики 
среднемесячных максимальных электрических нагрузок 

Производство и потребление тепловой энергии для производства  
и отопления имеет значительно меньший размах колебаний, но и здесь 
имеет место значительная переменная составляющая производительности.  
Суточная, недельная и годовая неравномерность спроса энергии 
обусловливает эксплуатацию оборудования тепловых электрических 

станций в нестационарных (переменных) режимах. Работа оборудования ТЭС в переменных режимах диктует специфические требования  
к его составу и качеству. 
Серьезным фактором, определяющим условия работы ТЭС, является качество топлива, особенно твердого. С течением времени в одних  
и тех же угольных бассейнах характеристики углей меняются в широких пределах: возрастают зольность, влажность, уменьшается теплота 
сгорания, изменяются свойства золы. Это приводит к тому, что котельное оборудование через 10…15 лет после ввода в эксплуатацию вынуждено работать на углях с непроектными характеристиками. 
Вместе с тем уголь считается перспективным топливом по двум 
причинам: его запасы в значительной степени превосходят нефть и газ, 
а КПД пылеугольных ТЭС на суперсверхкритических параметрах (давление свежего пара 28,0…30,0 МПа, температура 600…640 °С) превышает 45 %. 
Использование пара сверхкритических (и суперсверхкритических  
в ближайшем будущем), рост единичной мощности энергоблоков ТЭС 
привели к тому, что обеспечение их надежности стало ключевой проблемой современной энергетики. Аварийный отказ в работе мощного 
оборудования электростанций сопровождается крупными затратами на 
восстановление этого оборудования, наносит ущерб потребителям энергии, а в наиболее тяжелых случаях приводит к разрушению смежного 
оборудования, строительных конструкций. 
В связи с этим надежность теплоэнергетического оборудования 
превратилась в важнейшую его техническую характеристику. Поэтому 
актуальным является изучение явлений, оказывающих влияние на различные свойства надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость и др.). 
Проблема обеспечения надежности имеет комплексный характер  
и может успешно решаться только совместными усилиями ученых, конструкторов, технологов-изготовителей и специалистов, занятых эксплуатацией и ремонтом теплоэнергетического оборудования. 
Важным является правильный выбор конструктивных решений, 
обеспечивающих технологический уровень его изготовления и монтажа, 
нормальное и экономичное функционирование оборудования электростанции, а также организация системы эксплуатации, обеспечивающей 
безотказную работу электростанций. 
Условия эксплуатации вообще, а особенно их отличия от тех, которые предусматриваются при проектировании, оказывают воздействие на 
состояние оборудования, приводят к его износу, а в некоторых случаях 
к выходу из строя.