Надежность ТЭС

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
Г.В. НОЗДРЕНКО,  
В.Г. ТОМИЛОВ, О.К. ГРИГОРЬЕВА 
 
 
 
НАДЕЖНОСТЬ 
ТЭС 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2009 

УДК 621.311.002.5.019.3 (075.8) 
          Н 172 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор  П.А. Щинников; 
д-р техн. наук, профессор Ю.В. Овчинников 
 
 
 
Ноздренко Г.В. 
Н 172      Надежность ТЭС : учеб. пособие / Г.В. Ноздренко, В.Г. Томлов, О.К. Григорьева. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 76 с. 

ISBN 978-5-7782-1285-5 

Рассмотрены основные понятия, определения и количественные 
показатели надежности. Приведены отказы и повреждения 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. 
Материал иллюстрирован большим количеством примеров расчета 
надежностных показателей. 
Учебное пособие предназначено для студентов-теплоэнергетиков 
специальности 140101 – Тепловые электрические станции, магистрантов техники и технологии по направлению 140100 – Теплоэнергетика, а 
также будет полезно аспирантам специальности 05.14.14 и инженерамтеплоэнергетикам. 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.311.002.5.019.3 (075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-1285-5 
   © Ноздренко Г.В., Томилов В.Г.,  
  Григорьева О.К., 2009 
© Новосибирский государственный 
технический университет, 2009    

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .........................................................................................................  
4 
1. Понятия и определения надежности ....................................................  
6 
1.1. Основные понятия .............................................................................  
6 
1.2. Отказ и восстановление ....................................................................  
8 
1.3. Показатели надежности ....................................................................  
12 
2. Отказы и повреждения в работе энергооборудования .....................  
17 
3. Теоретические  основы  методов оценки показателей надежности  
25 
3.1. Метод расчета показателей надежности при  использовании               марковских процессов ..............................................................  
25 
3.2. Оценка показателей надежности энергоблока по модели дерева              событий .........................................................................................  
33 
4. Выбор резервов.........................................................................................  
37 
4.1. Выбор резервов на электростанции .................................................  
37 
4.2. Резерв в энергосистеме .....................................................................  
40 
4.3. Резервирование отпуска теплоэнергии ...........................................  
42 
4.4. Учет свойства временной избыточности ........................................  
47 
5. Режимная надежность энергоблока......................................................  
49 
6. Обеспечение надежности энергооборудования ..................................  
62 
7. Методика обработки статистических данных ....................................  
68 
Заключение .....................................................................................................  
73 
Библиографический список ..........................................................................  
74 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Энергоблоки являются важнейшим элементом 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 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 заводах-изготовителях. Все это в эксплуатации приводит к уменьшению 
долговечности и выходу из строя энергоблоков. Происходит и естественное их старение, требующее систематических профилактических 
ремонтов. Через 20…25 лет работы энергоблока его надежность и экономичность значительно снижаются, а через 30…40 лет его необходимо заменять. 
Характерными условиями эксплуатации ТЭС являются нестационарность режимов работы, нестабильность топливного баланса, старе

ние теплоэнергооборудования, неодинаковое количество вновь изготовленного и прошедшего ремонтное обслуживание теплоэнергооборудования энергоблока. 
На надежность работы энергоблоков очень сильно влияют большие 
массы металла теплоэнергооборудования, температура которого резко 
изменяется при переменных режимах. Возникающие при этом температурные развертки приводят к уменьшению надежности всего энергоблока. 
Важность надежности ТЭС в значительной степени обусловлена 
необходимостью обеспечивать непрерывный баланс «выработка – потребление», когда в любой момент времени объем вырабатываемой 
энергии не может превышать спроса на нее. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.  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). 
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 или 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); 

1

2
3

4

 
Рис 1.1. Иллюстрация понятия 
надежности: 

1 – множество заданных функций, 
2 – множество условий функционирования, 3 – множество временных 
интервалов, 4 – множество, характе
ризующее надежность

− 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 РN (множество 2) в течение τраб (множество 3). Надежность энергоблока определяется отпуском энергии с шин (множество 4): Э = NPNτраб, т. е. его работоспособностью. 
Работоспособность – состояние энергоблока (объекта), при котором он способен выполнять все или часть заданных функций в требуемом объеме. 
Потеря работоспособности в теории надежности называется отказом. Полный отказ – при полной потере работоспособности, частичный отказ – при снижении работоспособности. Внезапные отказы являются следствием 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) посредством проведения ремонта. Процесс функционирования энергоблока за период жизни характеризуется большим 
числом отказов и восстановлений. 
С позиций надежности рассмотрим основные 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), когда износ и старение устранить 
уже невозможно или нецелесообразно. 
Живучесть – свойство энергоблока противостоять возмущениям, 
не допуская их каскадного развития с массовым нарушением работоспособности потребителей. 
Ремонтопригодность – пригодность энергоблока к диагностике 
отказов и к устранению их последствий с помощью проведения технического обслуживания и ремонтов. 

Безопасность – способность энергоблока обеспечить экологическую и техническую безопасность посредством 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 времени τi, образуют поток событий (рис. 1.2). Простейший поток отказов и восстановлений графически представлен на рис. 1.2, где τ1, τ2,…, τn – время 
наработки на отказ (от начала работы до отказа), а τв1, τв2,…, τвn – время восстановления. 
 

τ 1
τ в1
τ 2
τ в2
τ n
τ 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). Имеется 
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 Т0) определяется как Р(τ) = exp (– λτ), где τ – рассматриваемый интервал времени; λ = 1/Т0 – интенсивность отказов. Под элементом понимается энергоагрегат, имеющий определенное функциональное назначение, не подлежащий дальнейшему структурному 
разделению. В качестве элемента могут рассматриваться энергоблок в 
составе энергосистемы, или котел, турбина, электрогенератор – в составе энергоблока. 

λ,

1/год

τ
1
2
3

 
Рис. 1.3. Интенсивность отказов за период жизни элемента 
 
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 является постоянной, а в области старения – постепенно увеличивается вследствие износа элементов.  Старение  частично компенсируется  капитальными ремонтами 
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). 
Очевидно, 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 τmax равна 6 ч. Вероятность возникновения 
максимальной нагрузки в течение суток как случайного события 

(
)
max
6  = 0,25
24
24
P X
=
τ
=
. 

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 обору

дование исправно. Состояние схемы в этом 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 зависимых случайных событий, вероятность которых обусловлена вероятностью других событий, вводится понятие условной вероятности. При этом условной вероятностью события Х1 по отношению к 
событию Х2 называется вероятность события Х1 в том случае, если событие Х2 происходит: (
)
(
)
(
)
1
2
1
2
2
/
/
P X
X
P X X
P X
. 
Пример 1.4а. Выход из строя одного из рабочих конденсатных насосов (событие Х2) увеличит вероятность отказа турбины (событие Х1), 
поскольку в этом случае турбина лишится резерва по конденсатным 
насосам. Так как эти события являются зависимыми, то условная вероятность отказа турбины 
(
)
(
)
(
)
1
2
1
2
2
/
/
0,001/0,01 = 0,1
P X
X
P X X
P X
=
, 
где вероятность отказа турбины при отказе конденсатного насоса (вероятность произведенных двух событий) (
)
1
2
0,001
P X X
=
. 
Пример 1.4б. Пароперегреватель проработал исправно 400 ч. Определить вероятность его безотказной работы на промежутке от 400 до 800 ч. 

 
–3
–1
0,5 10
  ч
λ =
Ч
; 

 
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)

(
)
(
)
2
1
2

2
1
2
1
2
1
2
1

0,82.

P
P
P
P
P
P

Р
= e
= e
=
λ τ
τ
λτ
τ
τ
τ
τ
τ
τ
τ
τ

∆
∆τ

=
®
=
®

®

 

Пример 1.4в. При работе турбины ее подшипники изнашиваются с 
интенсивностью
–3
–1
0,8 10
  год
λ =
Ч
. Турбину останавливают на ремонт 
и заменяют подшипник, когда вероятность ( )
q  его отказа становится 
равной 0,001. Определить время работы подшипника до ремонта. 

 
1– 
0,001
0,999
q =
e
=
e
=
λτ
λτ
®
®
(
)
ln 0,999  = –0,001
=
λτ
®

(
)

–3
0,001
0,8 10
1,25 года.
=
=
=
τ
λ
®
Ч
 

Для энергоблоков и теплоэнергооборудования наиболее вероятны 
сложные события, являющиеся комбинацией нескольких событий. 
С помощью аксиомы о сумме вероятностей и правила уменьшения 
вероятностей можно определить вероятность возникновения хотя бы 
одного из двух независимых и совместных случайных событий:  

 
(
)
(
)
(
)
(
)
1
2
1
2
1
2
P X
X
P X
P X
P X X
+
=
+
. 

Пример 1.5. Турбогенератор энергоблока во время работы может 
отключаться при  отказе котла с вероятностью Р(Х1) = 0,054 и электрической части – с вероятностью Р(Х2) = 0,005. Тогда вероятность отключения турбогенератора 
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
1
2
1
2
1
2
P X
X
P X
P X
P X
P X
+
=
+
=

0,054 + 0,005 – 0,054 0,005 = 0,0587
=
Ч
. 
Вероятность сложного события Х1 зависит от вероятности событий 
Х2,…, Хn, комбинацией которых она является:  

 
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
1
1
2
2
1
/
...
/
n
n
P X
P X
X
P X
P X
X
P X
=
+
+
. 

Пример 1.6. Работа турбины в составе энергоблока (рис. 1.4) зависит от работы всех элементов, связанных техническим процессом. Вероятность отказа турбины Р(Х1) как сложного события  

 
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)

(
)
(
)

1
1
2
2
1
3
3

1
4
4

/
/

/
1 0,03 + 1 0,01 + 1 0,005 = 0,045

P X
P X
X
P X
P X
X
P X

P X
X
P X

=
+
+

+
=
Ч
Ч
Ч
.

Г

3

4

1

2

 
Рис. 1.4. Схема энергоблока: 
1 – турбина, 2 – котел, 3 – электрогенератор, 4 – конденсатор