Глава VI. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМИ УСТАНОВКАМИ
Определения
Свойство системы или изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение определенного промежутка времени, называется надежностью*. Создание систем автоматического управления, обладающих высокой надежностью, является одной из главных инженерных проблем. Это положение в полной мере относится и к системам автоматического управления, используемым при дальнем транспорте газа. Хотя вопросы надежности интересовали людей с того времени, как начала развиваться техника, первые теоретические работы появились 25—30 лет назад. В дальнейшем, однако, теория надежности развивалась очень бурно, и за последние годы появилось большое число публикаций, рассматривающих теоретические и практические аспекты проблемы надежности.
Повышенный интерес к вопросам надежности объясняется главным образом постоянно возрастающей важностью функций, выполняемых системой, стремлением к исключению человека из процесса управления и сложностью условий, в которых работает аппаратура. Для систем управления газотурбинными установками эти проблемы связаны с ростом мощности единичного агрегата. Длительный простой агрегата мощностью 25 МВт по вине системы управления может привести к экономическим потерям, превышающим стоимость самой системы. Возможны также случаи, когда отказ в системе управления приводит к серьезной поломке агрегата или, что еще более опасно, создает угрозу людям. Стремление уменьшить роль человека в процессе управления неизбежно приводит к усложнению системы, возрастанию числа используемых в ней элементов. Следствием этого может явиться увеличение числа поломок, неисправностей, отказов.
Отказом в теории надежности называют событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы или изделия.
* Определения терминов теории надежности даются в соответствии с ГОСТ 13377—67.
Обычно отказы, возникающие в системах автоматического управления, подразделяют на внезапные, постепенные и кратковременные. Внезапные (катастрофические) отказы возникают в результате резкого, скачкообразного изменения главных параметров системы, и обычно приводят к полному нарушению ее работоспособности. Внезапные отказы могут явиться следствием и постепенных изменений параметров, которые остались незамеченными либо из-за несовершенства методов контроля, либо из-за недостаточно хорошо организованной системы профилактики.
Постепенные отказы проявляются в плавном изменении параметров системы. Эти изменения обычно накапливаются медленно под воздействием внешних условий и приводят в большинстве случаев к ухудшению функционирования системы, что может быть легко замечено при проверке. Кратковременные отказы обычно являются следствием помех в линиях связи, неисправностей источников питания и некоторых других причин и проявляются, как внезапные, с той лишь разницей, что причина их возникновения во многих случаях лежит вне рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть условность приведенной классификации отказов.
При оценке надежности газотурбинной установки и ее системы управления основное внимание обычно уделяется внезапным отказам. Результатом отказа системы .управления могут быть следующие события: 1) ГТУ не запускается в нужный момент (отказ пуска), 2) ГТУ останавливается без действительной надобности (ложная остановка), 3) ГТУ не останавливается в нужный момент, например при возникновении аварийной ситуации (отказ тина несрабатывание).
Для количественной оценки надежности системы автоматического управления используются следующие основные величины.
Параметр потока отказов — среднее количество отказов ремонтируемого изделия в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента или отрезка времени. На практике среднее число отказов тср (t) можно определить из наблюдения за испытаниями (или эксплуатацией) N объектов. При этом определяют числа mt (t) отказов каждого из объектов до наработки t. Тогда
Параметр потока отказов
Точное значение ω (t) определяется как предел этой дроби при и Δt>0.
В большинстве практических случаев параметр потока отказов после некоторой наработки t = t0, называемой периодом приработки, перестает зависеть от времени: 
Очевидно, чем меньше Та, тем работоспособнее система, выше ее надежность. Влияние времени восстановления на надежность системы учитывается коэффициентом готовности — удобной и часто используемой характеристикой надежности восстанавливаемой системы. Коэффициент готовности определяется как вероятность того, что система будет работоспособна в произвольно· выбранный момент времени в промежутках между выполнениями планового технического обслуживания: Кт =Т/(Т + ТВ).
Виды отказов
Отказ системы всегда приводит к экономическим потерям, причем размер этих потерь значительно возрастает с увеличением мощности газотурбинного агрегата. Величина потерь определяется не только уменьшением количества транспортируемого газа, но и тем влиянием, которое оказывает процесс пуска или остановки на долговечность газотурбинного агрегата. Как известно, именно в процессе пуска и остановки ответственные узлы агрегата испытывают максимальные напряжения, связанные со значительными градиентами температуры и ускорениями. Это обстоятельство дает основание приравнивать каждый пуск наработке определенной длительности и выражать ресурс агрегата не только в часах, но и числом пуско-остановочных операций (иногда указывают, что ревизию агрегата следует проводить по истечении определенного времени работы, например 8000 ч, или после определенного числа пусков, например 25).
С этой точки зрения, отказ пуска является серьезным событием только в том случае, еслb он происходит на заключительном этапе пуска, когда скорость вращения агрегата и температура газа близки к номинальным. Наиболее опасным является отказ-несрабатывание, когда в результате возникновения отказа в системе управления нарушается одна из основных ее функций — защита агрегата экстренной остановкой от развития аварийной ситуации. Нарушения такого типа могут привести к полному разрушению агрегата. На практике отказы системы автоматики в процессе пуска встречаются относительно редко. Надо, правда, оговориться, что это обстоятельство, является, по-видимому, следствием того, что автоматический способ пуска медленно внедряется в практику эксплуатации и обслуживающий персонал стремится «дотянуть» начатый пуск до конца любой ценой.
Среди причин непрохождения пуска наиболее часто называют две: отказ зажигания и отказ в перестановке технологических кранов.
Зажигание топлива в камере сгорания — сложный процесс, надежность протекания которого определяется работой запального устройства и тем, как организована подача газа и воздуха в зону воспламенения. На многих газовых турбинах в качестве воспламенителя использовалась свеча поверхностного разряда. Искра образуется на ее торце — на поверхности специального материала, заполняющего кольцевой промежуток между электродами. Такое расположение искры создает определенные трудности в подаче топлива и воздуха в зону воспламенения. Это обстоятельство в сочетании с относительно невысокой мощностью искры приводят к частым отказам системы зажигания. Несмотря на то, что такой отказ не связан с возникновением серьезных напряжений в деталях агрегата, он весьма неприятен, так как может существенно затянуть процесс пуска.
В более совершенных воспламенителях, применяемых в последнее время, используется автомобильная искровая свеча А14У с воздушным промежутком, возбуждаемая от катушки зажигания Б-200 с встроенным прерывателем. Хорошо организованная подача горючей смеси в сочетании с мощной пространственной искрой обеспечивают хорошее зажигание топлива и практически полное отсутствие отказов на этой операции.
Отказ в перестановке технологического крана особенно неприятен, если эта перестановка осуществляется на заключительном этапе пуска. В этом случае отказ сопровождается большой потерей времени и лишним циклом пуско-остановочных напряжений в узлах агрегата. Причиной отказа в большинстве случаев является неисправность самого крана, его узла управления или конечного выключателя. Наиболее часто отказы возникают в зимнее время из-за выпадания влаги из плохо осушенного газа. Опыт передовых компрессорных станций показывает, что при хорошей осушке воздуха, тщательной наладке механической части крана, своевременной набивке мультипликатора и внимательном наблюдении за состоянием узлов управления и конечных выключателей удается свести число отказов к минимуму. Важную роль в уменьшении числа отказов по перестановке кранов играет схема автоматического контроля целости цепи управления краном, включающей в себя соленоид узла управления и контакт конечного выключателя.
За последнее время осуществлен переход на пуск агрегатов под давлением газа (см. гл. II), при котором перестановка кранов осуществляется на первом этапе пуска. Благодаря этому снижается вероятность отказов в перестановке и резко уменьшаются вредные последствия такого отказа. Следует также ожидать, благоприятного эффекта и от предполагаемой замены контактных конечных выключателей на бесконтактные.
Опыт эксплуатации систем автоматики на компрессорных станциях показывает, что большая часть фиксируемых отказов является отказами типа «ложное срабатывание». Отказы этого типа возникают в цепях защиты и приводят к ложной, необоснованной остановке агрегата. Большинство ложных остановок газотурбинных агрегатов происходят из-за перебоев в электроснабжении, неисправностей контрольно-измерительных приборов и сбоев в работе кранов.
Как показывает статистика, причина примерно 50% всех вынужденных остановок — перерывы в подаче электроэнергии.
Основные типы газотурбинных установок, используемых на компрессорных станциях, не являются полностью автономными. Для их нормальной работы необходима постоянная подача электроэнергии, в частности для питания двигателей маслонасосов системы уплотнения и двигателей системы охлаждения масла. Таким образом, исчезновение переменного тока проявляется прежде всего в снижении перепада давления между газом и маслом уплотнения. Затем из-за нарушений в работе системы охлаждения масла может возрасти до опасных пределов температура подшипников. Следовательно, исчезновение переменного тока, являясь отказом, внешним по отношению к системе автоматики, проявляется через срабатывание защиты как ложная остановка.
Большое число аварийных остановок объясняется низкой надежностью системы питания на компрессорных станциях. Для нормальной работы оборудования необходимо обеспечить резервирование питания с автоматическим включением резерва. Цепь защиты строится обычно следующим образом.
При отключении питания останавливаются маслонасосы уплотнения и снижается перепад давления между уплотняющим маслом и газом. По сигналу о падении перепада после некоторой выдержки времени агрегат останавливается. Если в течение этой выдержки перепад восстанавливается, система возвращается в исходное состояние без последствий.
Продолжительность времени отсчета определяется, с одной стороны, емкостью аккумулятора масла, который поддерживает необходимое минимальное превышение давления масла уплотнения над давлением газа, а с другой — временем, необходимым для восстановления напряжения питания или для включения резерва. Для уменьшения вероятности ложных остановок необходимо стремиться к тому, чтобы время опорожнения аккумулятора было больше времени включения резерва, поэтому надо установить продолжительность отсчета больше времени включения резерва и меньше времени опорожнения бачка. Обычно, учитывая реальные размеры аккумулятора масла, продолжительность отсчета нельзя устанавливать больше 3—5 мин.
При этом надо, однако, учитывать, что при отключении переменного напряжения перестают работать контрольно-измерительные приборы, являющиеся датчиками в наиболее важных защитных цепях: фотореле, автомат температурной защиты и др. Для этих цепей нельзя допускать пятиминутного перерыва функционирования, поэтому для избежания ложных остановок приходится идти на усложнение системы. При этом стремятся использовать для питания контрольно-измерительных приборов аккумуляторную батарею, надежность которой как источника питания достаточно Высока. Достигнуть этого можно созданием приборов, питающихся как от сети переменного тока, так и от аккумуляторной батареи. Такая возможность предусмотрена, например, у фотореле «Пламя» и виброаппаратуры АВКС-2.
Однако, если такое решение, связанное с усложнением и удорожанием аппаратуры, можно считать приемлемым для приборов специального назначения (например, фотореле), то для приборов общепромышленного назначения (электронные мосты, потенциометры и т. д.) оно трудно осуществимо и, по всей видимости, нецелесообразно. Более перспективным является использование преобразователей напряжения аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока. В 1971 г. проведены испытания такой системы с использованием вращающегося преобразователя ПТ-5 и принято решение о их внедрении на компрессорных станциях, где особенно часто случаются перерывы в электропитании. Более высокой надежностью, чем у вращающихся преобразователей, должны обладать полупроводниковые устройства — статические преобразователи. Проводятся интенсивные работы по подготовке их внедрения на компрессорных станциях.
Наиболее характерным примером ложной остановки, возникающей из-за неправильной работы контрольно-измерительных приборов, является возникновение аварийного импульса на выходе электронного моста при обрыве термометра сопротивления или соединительной линии между ним и мостом. Причины возникновения ложного сигнала, а также один из наиболее простых способов предотвращения этого явления описаны в гл. II. К сожалению, полностью устранить ложные остановки такого типа не удается, так как все способы пригодны только при резком изменении напряжения, снимаемого с измерительного моста (полный обрыв провода). Если повреждение развивается постепенно и сопровождается плавным ростом сопротивления, то в какой-то момент возникновение аварийного сигнала неизбежно, так как нет способа отличить повышение сопротивления, вызванное ростом измеряемой температуры, от такого же увеличения сопротивления, но вызванного развивающимся дефектом провода или соединения проводов.
Часто возникают ложные сигналы на выходе контрольно-измерительных приборов во время их включения или выключения. Так, из-за переходных процессов при резких и кратковременных скачках питающего напряжения появляются ложные аварийные сигналы в потенциометрах ЭПП. В качестве другого примера приведем фотореле «Факел», у которого аварийный сигнал при погасании пламени формировался замыканием размыкающего контакта реле. Такой же эффект возникал и при исчезновении напряжения питания. Для предупреждения остановок такого типа включают аварийные контакты приборов через замыкающий контакт реле напряжения — при исчезновении напряжения питания цепь защиты разрывается. Контакт реле напряжения при подаче питания замыкается с некоторой незначительной задержкой по времени, достаточной для окончания переходных процессов в приборах.
Значительное число ложных остановок имеет своей причиной недостаточную надежность технологических кранов и связанных с ними устройств: узлов управления и конечных выключателей. Для узлов управления типа ЭПУУ-2 наиболее характерными и неприятными эксплуатационными дефектами являются обрыв катушки соленоида, замыкание на землю и неспособность катушки соленоида выдерживать рабочий ток в течение длительного времени (более 90 сек). Замыкание на землю — весьма распространенный вид отказа и для контактных конечных выключателей ВК-700 и ВВ-5. Для них характерна также и потеря контакта в процессе эксплуатации, которая может быть устойчивой (из-за появления непроводящих налетов на контактах) или кратковременной (из-за вибрации или других причин).
Очень много неудобств создает также трудность настройки конечных выключателей на фиксацию открытого или закрытого положения крана. Из пары контактов, имеющихся в каждом конечном выключателе, удается использовать только один: либо замыкающий, либо размыкающий. Наличие указанных недостатков приводит к усложнению схемы управления краном (см. гл. IV) и заставляет, кроме того, предусматривать специальные защитные цепи на случай возникновения тех или иных неполадок в крановом оборудовании. Таковы цепи контроля целостности цепей соленоидов, длительности нахождения соленоидов под током, положения крапов.
Наиболее важные функции имеет цепь контроля положения кранов, так как при работе агрегата самопроизвольная Перестановка некоторых технологических кранов может послужить причиной серьезной аварии. Поэтому сигнал, возникающий в этой цепи, используется для экстренной остановки агрегата. Очевидно, что если такой сигнал возникает как следствие отказа какого-либо элемента, он приводит к ложной остановке агрегата. Бороться с ложными остановками такого типа трудно, из-за указанных выше дефектов схемные ухищрения не позволяют избавиться от них полностью. Дефекты кранового оборудования — «застарелая болезнь» компрессорных станций, и в этой области давно назрела необходимость принять решительные меры, чтобы существенно повысить надежность. Однако новые разработки (узел управления ЭПУУ-3, бесконтактный конечный выключатель БДПК), обладающие рядом несомненных преимуществ перед старыми, внедряются медленно и в недостаточном объеме.
