Надежность оборудования ТЭС

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
О.К. ГРИГОРЬЕВА, А.И. ДВОРЦЕВОЙ 
 
 
 
 
 
 
НАДЕЖНОСТЬ  
ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 621.311.22(075.8) 
         Г 834 
 
 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доцент О.В. Боруш 
канд. техн. наук, доцент М.А. Купарев 
 
 
 
Работа подготовлена кафедрой тепловых электрических станций  
по дисциплине «Теория надежности тепловых электрических станций»  
для студентов I курса ФЭН всех форм обучения направления 13.04.01 
 
 
 
Григорьева О.К. 
Г 834   
Надежность оборудования ТЭС: учебное пособие / О. К. Григорьева, А. И. Дворцевой. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 
99 с. 
 
ISBN 978-5-7782-4228-9 
 
Рассмотрены основные понятия, определения и количественные 
показатели надежности. Приведена классификация отказов и причины 
повреждений в работе энергооборудования ТЭС. Подробно даны методические подходы к расчету надежностных показателей энергоблоков, 
к выбору резервов на ТЭС и в энергосистеме, к учету режимной надежности энергоблоков. Рассмотрены вопросы обеспечения надежности 
энергооборудования. 
 
 
УДК 621.311.22(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-4228-9  
 
 
 
 
© Григорьева О.К., Дворцевой А.И., 2020 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2020 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Энергоблоки – важнейший элемент тепловых электростанций (ТЭС) 
и энергосистем, от их надежной работы зависит функционирование самой системы и объектов народного хозяйства, являющихся потребителями электроэнергии и тепла. 
Основная цель дисциплины – изложение основ теории надежности 
и методов их практического применения для расчета надежности энергоблоков ТЭС. 
Проблема надежности энергоблоков и их элементов связана с вопросами определения показателей их надежности на стадиях проектирования, сооружения и эксплуатации. 
При этом необходимо обеспечить: 
 бесперебойное энергоснабжение потребителей; 
 заданное количество отпускаемой энергии (частоту, напряжение 
электрического тока, давление и температуру пара и горячей воды); 
 выполнение графиков нагрузки; 
 максимальную экономичность; 
 экологическую и техническую безопасность. 
Энергоблоки представляют собой крупногабаритные малосерийные 
или штучные технические изделия, они во многих практических случаях не проходят контрольной общей сборки и испытаний на заводахизготовителях. Все это в эксплуатации приводит к уменьшению долговечности и выходу из строя энергоблоков. Происходит и естественное 
их старение, требующее систематических профилактических ремонтов. 
Уже через 20…25 лет работы энергоблок значительно снижает свою 
надежность и экономичность, а через 30…40 лет практически необходима его замена. 

Характерные условия эксплуатации ТЭС: нестационарность режимов работы, нестабильность топливного баланса, старение теплоэнергооборудования, неодинаковое количество вновь изготовленного и прошедшего ремонтное обслуживание теплоэнергооборудования энергоблока. 
На надежность работы энергоблоков существенно влияют большие 
массы металла теплоэнергооборудования, температура которого резко 
изменяется при переменных режимах. Возникающие при этом температурные развертки приводят к уменьшению надежности всего энергоблока. 
Значимость надежности ТЭС в значительной степени обостряется 
необходимостью обеспечивать непрерывный баланс «выработка – потребление», когда в любой момент объем вырабатываемой энергии не 
может превышать спроса на нее. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
НАДЕЖНОСТИ 

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 

Надежность – свойство объекта (энергоблока) выполнять требуемые функции (по выработке энергии) в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Надежность выступает в роли функциональной категории качества как множества заданных функций энергоблока, которые имеют ограничения по времени и условиям функционирования (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Иллюстрация понятия надеж- 
ности: 

1 – множество заданных функций; 2 – множество условий функционирования; 3 – множество временных интервалов; 4 – множество,  
            характеризующее надежность 

1 

2 
3 

4 

 
Множество заданных функций 1 зависит от типа энергоблока и 
включает: 
 производство и выдачу электроэнергии в энергосистему (или непосредственно потребителям) согласно заданному графику нагрузки; 
 производство и выдачу тепла потребителям; 
 обеспечение качества выдаваемых электроэнергии (по частоте и 
напряжению) и тепла (по параметрам пара ли воды); 
 транзит энергии через распределительные устройства. 

Множество условий функционирования 2 определяет: 
 вид топлива, его запасы; 
 режим работы энергоблока; 
 сезонные условия эксплуатации; 
 аварийный резерв в энергосистеме; 
 состояние связей с энергосистемой; 
 экологическую и техническую безопасность. 
Множество временных интервалов функционирования 3 включает: 
 период эксплуатации энергоблока (начальный, нормальной эксплуатации, старения); 
 период восстановительного или планового ремонта; 
 период функционирования (сутки, месяц, год); 
 период осенне-зимнего максимума или весенне-летнего минимума нагрузки. 

Пример 1.1. Энергоблок выдает в энергосистему мощность N (множество 1) по постоянному графику нагрузки. Вероятность такого режима составляет 
N
Р  (множество 2) в течение 
раб

(множество 3). 
Надежность энергоблока определяется отпуском энергии с шин (множество 4): Э =
раб
N
NP 
, т. е. его работоспособностью. 
Работоспособность – состояние энергоблока (объекта), при котором он способен выполнять все заданные функции или их часть в требуемом объеме. 
Потеря работоспособности в теории надежности называется отказом. Полный отказ – при полной потере работоспособности, частичный 
отказ – при снижении работоспособности. Внезапные отказы есть 
следствие поломок или аварийных ситуаций. Постепенные отказы происходят из-за износа деталей, загрязнения поверхностей нагрева, изменения проходных сечений в результате отложений и т. д. 
Наработка на отказ – время работы энергоблока (объекта) от 
начала эксплуатации до отказа (или между двумя соседними отказами). 
Восстановление – обеспечение уровня работоспособности энергоблока (объекта) путем проведения ремонта. Процесс функционирования 
энергоблока за период жизни характеризуется большим числом отказов 
и восстановлений. 
В зависимости от условий решаемой задачи один и тот же объект 
может именоваться системой или элементом. Под системой обычно 

понимают объект, в котором необходимо и возможно различать определенные взаимозависимые части, соединенные воедино. Элемент – 
это определенным образом ограниченный объект, рассматриваемый как 
часть другого объекта. Понятия «система» и «элемент» относительны, 
любой объект при решении одних задач может рассматриваться как система, а при решении других – как элемент. Например, паротурбинный 
энергоблок можно считать системой, состоящей из таких элементов, 
как турбина, котлоагрегат, соединительные трубопроводы, электрический генератор, трансформатор и т. д. Для всей электростанции (система более высокого уровня) отдельные энергоблоки будут уже элементами. Таким образом, разделение оборудования на системы и элементы зависит от того, на каком уровне решается поставленная задача. 
Понятие системы и ее уровня формулируется на ее основе, элементом 
же считается любое техническое устройство, не подлежащее дальнейшему расчленению. 
Исправное состояние объекта – это такое состояние, при котором он 
соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. В противоположность этому неисправное состояние объекта – это состояние, при котором он не соответствует хотя бы 
одному из требований нормативно-технической и конструкторской документации. 
Основными с позиций надежности являются следующие свойства 
энергоблока. 
Безотказность – работоспособность в течение заданного времени 
(нулевая вероятность появления отказа). 
Долговечность – сохранение работоспособности до наступления 
предельного состояния (при установленной системе технического обслуживания). Предельное состояние характеризуется невосстанавливаемостью энергоблока (объекта) в связи с достижением такого износа и 
старения, устранение которых становится невозможным или нецелесообразным. 
Живучесть – свойство энергоблока противостоять возмущениям и 
не допускать их каскадного развития с массовым нарушением работоспособности потребителей. 
Ремонтнопригодность – пригодность энергоблока к диагностике 
отказов и к устранению их последствий путем проведения технического 
обслуживания и ремонтов. 

Безопасность – способность энергоблока обеспечить экологическую и техническую безопасность с помощью поддержания экологических и технических параметров на заданном уровне. 
Режимная управляемость – свойство энергоблока поддерживать заданный режим с помощью средств управления. 

1.2. ОТКАЗ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ 

Отказ и восстановление являются противоположными событиями. 
События, происходящие одно за другим в моменты 
i , образуют поток 
событий. Простейший поток отказов и восстановлений графически 
представлен на рис. 1.2, где 
1
2
,
,
,
n
    – время наработки на отказ (от 
начала работы до отказа), а 
В1
В2
В
,
,
,
n


 
– время восстановления. 

1  
В1

 
2  
В2

 
n  
Вn

  
Рис. 1.2. Поток отказов и восстановлений 

Потоки событий можно описать с помощью рядов распределения 
случайных величин, характеризующих вероятность появления этих событий P(m), где m – число отказов (случайных событий). Есть ряд стандартных распределений: равномерное, нормальное, экспоненциальное 
и т. д. Особенность нормального закона распределения заключается в 
том, что он является предельным законом, к которому приближаются 
все другие законы распределения. 
Для восстанавливаемых элементов вероятность безотказной работы 
(до наработки 
0
Т ) определяется как 

exp
( )
(
)
Р  
 , 

где   – рассматриваемый интервал времени; 
0
 1/Т
 
– интенсивность 
отказов. 
В процессе эксплуатации элемента интенсивность отказов изменяется (рис. 1.3). Период эксплуатации можно разделить на следующие 
области: приработки отказов 1, нормальной эксплуатации 2, отказов по 
причине старения оборудования 3. 
Приработочные отказы возникают в начале эксплуатации из-за дефектов изготовления и монтажа. В области нормальной эксплуатации 

(рабочей области) интенсивность отказов постоянна, а в области старения – постепенно увеличивается вследствие износа элементов. Старение 
частично компенсируется путем капитальных ремонтов с заменой изношенных деталей. Можно считать, что на элемент действуют потоки событий в форме марковских случайных процессов (когда состояние элемента в будущем не зависит от его прошлого, т. е. от того, каким путем 
он достиг настоящего состояния). 

  
, 
1/год 

 
1 
2 
3 

 
Рис. 1.3. Интенсивность отказов за период жизни 
 элемента 

Очевидно, что практически любой случайный процесс можно представить как марковский, если в текущее состояние включить и его про
шлое. Вероятность события Х определяется как 
(
)
m
P X
n

, где m – 

число случайных событий, n – число всех событий. 

Пример 1.2. Статистические данные анализа суточных графиков 
нагрузки энергоблока показывают, что длительность максимальной 
нагрузки в течение суток max
t
 = 6 ч. Вероятность возникновения максимальной нагрузки в течение суток как случайного события: 

max
τ
6
(
)
0,25
24
24
P X
=
=

. 

Из аксиомы о сумме вероятностей событий следует, что сумма вероятностей противоположных, т. е. взаимоисключающих, событий равна 
единице: 

(
)
(
)
1
P X
P X

 , 

где X  – событие, противоположное событию Х. 

Пример 1.3. Тепловая схема энергоблока большую часть времени 
находится в нормальных условиях эксплуатации, при этом все оборудование исправно. Состояние схемы в таком случае является рабочим, а 
его вероятность равна Р(Х). Возможны случаи отказов отдельного 
оборудования или вывода его в плановый ремонт, что соответствует 
неработоспособному состоянию схемы с вероятностью 
(
)
P X . Очевидно, эти два состояния могут рассматриваться как независимые 
противоположные события, поэтому 
(
)
(
)
1
P X
P X

 . Если вероятность отказа схемы 
(
)
P X  = 0,002, то вероятность работоспособного 
состояния 

(
)
1
(
)
1 0,002
0,998
P X
P X
 
 

. 

Для энергоблоков и теплоэнергооборудования наиболее вероятны 
сложные события, являющиеся комбинацией нескольких событий. 
Для независимых случайных событий, вероятность появления которых не зависит от вероятности других событий, справедлива аксиома: 
вероятность возникновения хотя бы одного из двух случайных независимых и несовместных событий равна сумме вероятностей этих событий, т. е. 

1
2
1
2
(
)
(
)
(
)
P X
X
P X
P X



. 

События называются совместными, если при осуществлении одного из них возможно появление другого, если – нет, то события несовместны. 

Пример 1.4. Вероятности погасания факела при выходе из строя пылепитателя первой горелки – 
1
(
)
0,02
Р Х

, второй – 
2
(
)
0,015
Р Х

. Вероятность погасания факела в топке котла, работающего с двумя горелками, равно (так как эти события являются независимыми и несовместными) 

1
2
1
2
(
)
(
)
(
)
0,02
0,015
0,035
P X
X
P X
P X






. 

Пример 1.5. На ТЭС в течение года проводится ремонт турбогенератора при отказах оборудования с вероятностью 
1
(
)
0,03
Р Х

 и 
текущий ремонт (по графику ремонтов), вероятность которого