Оценка надежности систем водоснабжения

Надежность систем в общем случае определяется как сложное свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характери­зующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

В теории надежности используются следующие основные понятия.

Работоспособное состояние — состояние объекта, при котором значения всех пара­метров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неработоспособное состояние — состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не со­ответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документа­ции.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее приме­нение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его ис­правного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Повреждение — событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объ­екта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объ­екта.

Все объекты принято делить на два больших класса: восстанавливаемые и невостанавливаемые. К восстанавливаемым относятся такие, которые в случае возникнове­ния отказа могут быть восстановлены. Невосстанавливаемыми считаются те объекты и изделия, которые в случае возникновения отказа не могут быть восстановлены или не подлежат восстановлению.

Наработка до отказа — продолжительность нормальной работы объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

Наработка между отказами — продолжительность нормальной работы объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникно­вения следующего отказа.

Время восстановления работоспособного состояния — продолжительность вос­становления работоспособного состояния объекта.

Надежность в зависимости от характера использования объекта состоит из более простых свойств, как:

• безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состо­яние в течение некоторого времени или некоторой наработки;
• ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и вос­становлению работоспособного состояния путем проведения технического обслужива­ния и ремонтов;
• долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до на­ступления предельного состояния при установленной системе технического обслужива­ния и ремонтов;
• сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Каждое свойство надежности характеризуется определенным набором показателей, из которых основными являются:

• вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.

Экспериментально этот показатель определяется следующим образом. На испытания ставится N₀ однотипных изделий, которые испытываются в одинаковых условиях в течение времени t. К моменту окончания испытаний число работоспособных изделий равно N , а число отказавших — n, т.е. N₀= N + n . Отношение N/ N₀ представляет собой вероятность безотказной работы изделия (устройства, блока) в течение времени t (если в начальный момент времени t = 0 оно было работоспособным):

• средняя наработка до отказа — отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки;
• параметр потока отказов — отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки.

• назначенный ресурс — суммарная наработка объекта, при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено;
• средний срок службы — математическое ожидание срока службы.

• вероятность восстановления работоспособного состояния — вероятность того что, время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданного T₃;
• среднее время восстановления работоспособного состояния — математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния.

• средний срок сохраняемости — математическое ожидание срока сохраняемости.

Кроме перечисленных единичных показателей надежности, характеризующих только одно свойство надежности, имеются комплексные показатели , которые определяют одновременно несколько свойств надежности.

К числу основных из них относятся следующие:

где Т₀ и Т_в — соответственно наработка на отказ и время восстановления, ч.

Коэффициент К_г характеризует вероятность работоспособности системы (или отдельного ее блока) и произвольный момент времени, кроме периодов проведении платиново-профилактических работ.

Коэффициент сохранения эффективности:

Где W_ф и W_{пр —} соответственно объем фактически подаваемой потребителям воды и требуемый по проекту; характеризует степень влияния отказов отдельных элементов системы на его эффективность использования.

Коэффициент вынужденного простоя :

Характеризует отношение времени восстановления к сумме времени восстановления и безотказной работы за один и тот же календарный срок.

Где Z_i и Z_cp — соответственно число восстановленных и среднее число неработающих элементов системы в интервале времени d t.

Коэффициент технического использования:

Т_Р — время затраченное на проведение технического обслуживания;

характеризует отношение математического ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за определенный период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывания системы в работоспособном состоянии, времени простоев, вызванных техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации.

Различают системы водоснабжения и их нерезервированные и резервированные э лементы.

П ростейшим примером нерезервированного элемента системы подачи воды является водовод, обеспечивающий подачу воды с расходом Q и состоящий из нескольких (n ) последовательно включенных элементов.

Такая система может находиться в работоспособном состоянии только при одновременной исправности всех ее элементов и их совместной работе. Отказ любого из элементов вызывает отказ всей системы.

Вероятность безотказной работы нерезервированной системы определяется по формуле:

где Pn — вероятность безотказной работы всей системы из n элементов; p _i вероятность безотказной работы i-го элемента.

Для n однотипных элементов:

Вероятность отказа нерезервированной системы:

В соответствии с ГОСТ 27.002-83 резервирование трактуется как применение до­полнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного со­стояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.

Резервирование является основным универсальным методом обеспечения требуе­мой надежности систем водоснабжения, как и большинства других инженерных соору­жений.

Различают общее и раздельное резервирование: общим называют метод повыше­ния надежности, при котором резервируется объект (система) в целом, раздельным метод резервирования отдельных элементов для системы.

Различают элементы основные и резервные. Основной элемент необходим для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов. Резервный элемент предназначен для выполнения функции основного элемента в случае отказа последнего. Примеры резервных элементов: установка резервных насосных агрега­тов на насосных станциях, устройство резервных скважин на водозаборах подземных вод и т.д.

Для характеристики резервирования применяется такое понятие, как кратность резервирования : отношение числа резервных агрегатов к числу резервируемых (основ­ных).

Кратность резервирования может быть целой и дробной. При резервировании с це­лой кратностью то есть целое число, с дробной то есть дробное несокращаемое число, Например, m = 4/2 означает наличие четырех резервных агрегатов и двух рабочих. При сокращении m = 2 означает, что резервирование уже является целой кратностью, при которой число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.

Основные виды резервирования приведены в ГОСТ 27.002-83, некоторые из них даны в таблице

Резервирование с применением резервных элементов структуры объекта

Резервирование с применением резервов времени

Резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента

Резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элемента

Динамическое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента

Резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе

Резервирование с кратностью резерва один к одному

Н адежность и эффективность работы систем водоснабжения во многом определя­ет уровень жизни и благоустройства населенных мест, комфортность проживания, раз­витие промышленности и инфраструктуры города.

ВВЕДЕНИЕ. Надежность систем водоснабжения и водоотведения

Конспект лекций

Надежность систем водоснабжения и водоотведения.

Проф. МАЛЬЦЕВ А.И. РГОТУПС

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 надежность систем водоснабжения и водоотведения — это комплексный показатель, харак­теризующий систему как безотказную, долговечную, ремонтопри­годную, способную выполнять заданные функции, т.е. подавать (отводить) воду в расчетном количестве и качестве, отвечающим санитарным нормам.

Другими словами, под надежностью систем понимается их свойство выполнять функции водообеспечения, сохраняя во време­на установленные технологические показатели в пределах, соот­ветствующих заданным режимам и условиям эксплуатации, техни­ческого обслуживания и хранения.

Таким образом, физический смысл надежности состоит в спо­собности систем сохранять свои первоначальные технологические характеристики в процессе эксплуатации.

В то же время очевидно, что надежность систем зависит не только от продолжительности периода и условий эксплуатации, но и от того, какие функции выполняет система. Этипоказатели функционирования системы определяются рекомендациями нормативных документов по проектированию и строительству систем. Например, в СНИП 2.04.02-84 наряду с рекомендациями по определе­нию нормального уровня водообеспечения, указаны пределы его возможного снижения. С этой целью все системы водоснабжения в зависимости от вида потребителей подразделены на три катего­рии.

Для систем, обеспечивающих водой потребителей I категории, допускается снижение обеспечения на 30% от нормального уров­ня водопотребления в течение 3 суток, а для потребителей П и Ш категорий соответственно на 10 и 15 суток. Кроме того, допускается перерыв в подаче воды потребителям I категории не более, чем на 10 мин, П категории – не более, чем на 6 ч, Ш категории — не более 24ч.

Согласно нормативным документам, категории систем водо­снабжения определяются следующими условиями: объединенные хо­зяйственно-питьевые и производственные водопроводы населенных пунктов с числом жителей в них более 50 тыс.человек следует относить к 1категории; от 5 до 50 тыс.человек — ко П категории, менее 5 тыс. человек – к III категории.

Элементы систем водоснабжения П категории, повреждения которых могут снижать подачу воды на пожаротушение, должны относиться к I категории.

В соответствие с определением надежности, если в результате каких-либо причин нарушается нормальное функционирование системы и происходит недопустимо длительный перерыв в подаче воды или снижение ее качества, то имеет место «отказ» системы. Причинами отказов могут быть самые различные случайные события: повреждения линий транспортирования воды (водоводов, магистралей сети), повреждения насосов, прекращение подачи электроэнергии на насосные станции, снижение уровня воды в источнике водоснабжения, загрязнение воды, тяжелые ледовые условия и т_.д_.

Основными и наиболее частыми причинами нарушений нормальной работы систем подачи и распределения воды являются аварий­ные повреждения отдельных сооружений или элементов и линий труб. Для быстрейшей ликвидации таких повреждений службы эксп­луатации водопроводов располагают аварийными бригадами, которые выезжают на место аварии и осуществляют требуемый ремонт.

Поскольку время возникновения отказов с момента начала работы систем водоснабжения, а также продолжительность ремонта оборудования этих систем являются случайными величинами, то численная оценка их надежности носит вероятност­ный характер и может быть получена путем расчета на основании теоретического анализа теории вероятностей и обработки статистических сведений, накопленных в ре­зультате эксплуатации названных оборудования и сооружений.

Основные направления развития теории надежности следующие:

1. Разработка методов количественного определения надежности и инженерных методов расчета ее показателей. Это математическая теория надежности.

2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надежности. Работы в этом направлении послужили основой статистической теории надежности.

3. Изучение физических причин отказов, влияния старения и прочности материалов на надежность, исследование физико -химических процессов, обусловливающих надежность технических устройств. Это физическая теория надежности.

В настоящем пособии рассматриваются вопросы, относящиеся к первым двум пунктам, при этом основное внимание уделяется методам обработки статистики отказов, определению показателей надежности ремонтируемого и неремонтируемого оборудования, расчету показателей надежности сложных систем. Рассмотрены методы и примеры оценки эффективности работы основных водопроводных сооружений с учетом их надежности, а также даны рекомендации по обеспече­нию требуемого уровня надежности подачи воды. Следует отметить, что оценка надежности водопроводных и канализационных соору­жений имеет полную аналогию, т.е. для расчета надежности кана­лизационных сооружений используются аналогичные формулы и ме­тоды.

Рассматриваются также способы повышения надежности работы оборудования систем водоснабжения и водоотведения.

Цель данного пособия — облегчить студентам усвоение материала перед выполнением контрольной работы.