МИНИСТЕРСТВО НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВНИИСПТнефть
М Е ТО Д И К А РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ РД 39 - 30 - 995 - 84
1984
Министерство нефтяной промышленности
Всесоюзный научно-исследовательский институт по сбору, подготовке и транспорту нефти и нефтепродуктов (ВНИИСПТнефть)
УТВ5РВДЕНА первым заместителем министра нефтяной промышленности В.И.Кремневым 29 декабря 1964 г.
РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ НЕДТЕ31ЕРЕКАЧИВАЩИХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ
РД 39-30-995-84
Уфа - 1904
4.5. В случае работы вспомогательных устройств без резерва используется формула расчета для последовательного (в смысле надежности) соединения элементов:
т-(р. |к>
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методика определения показателей надежности магистрального нефтепровода. РД 39-1-62-78, ВНИИСГГГнефть, Уфа, 1978.
2. Методика выбора показателей для оценки надежности сложных технических систем, ВНИИС, М., 1970.
Пояснения к основным терминам и положениям
При расчете надежности нефтеперекачивающей станции, представляющей сложный комплекс технических устройств, целесообразно расчленить ее на отдельные подсистемы такие, что отказы каждой из них происходят независимо и приводят к прекращению функционирования всей системы НПС. Такими подсистемами могут быть: группа основных насосных агрегатов, группа подпорных насосных агрегатов, общеотан-ционные вспомогательные устройства, система электроснабжения, система общестанционной автоматики и КИП.
При этом ввиду особенностей назначения и схемно-конструктивных решений некоторых подсиотем (группы основных и подпорных насосных агрегатов), отказы отдельш»' элементов могут приводитьне к полному отказу, а лишь к некоторому ухудшению качества их функционирования. Поэтому насосную группу следует рассматривать как сложную систему, а надежность определять с точки зрения влияния ее на характеристики качества и эффект зности функционирования НПС.
Ниже приводятся основные положения методики применительно к группе насосных агрегртов как на^солее ответственной и сложной подсистемы НПС.
Состояние насосных агрегатов в любой момент времени жег быть описано функцией вида
4., если агрегат работоспособен.
О, если агрегат в неработоспособном состоянии
Тогда состояние S насосной группы НПС как олоьной системы
в произвольный момент времени
может быть описано случайные
вектором Ts (t). [х.а), хг ал - ... x/v(t)}>
функция состояния 6-го насосного агрзгата
L = 1,2,..., /V* (Ш-К) - общее количество рабочих ( П )
и резервных (К) агрегатов.
Каждому состояние S насосной группы можно поставить в соответствие характеристику качества функционирования
cp[zg(t)]=<ps (t),
гредставдяххцую количественную меру результатов ее функционирования в момент времени t для определенной реализации процесса функционирования.
Насосная группа НПО характеризуется конечным числом фиксированных значений качества функционирования. Так, для группы из трех магистральных насосных агрегатов (два рабочих и сщин резервный) возможны три отличных от нуля значения качества функционирования:
Фс > Фл Уфг >ф* =О
Значение ф0 соответствует полностью работоспособному состоянию, а = 0 - полному отказу (отказали все три агрегата).
Случайная функция Ф [%s (£)] зависит от состояния агрегатов в произвольный момент времени t , степени приспособленности их к выполнению поставленной задачи и является мгновенной оценкой качества функционирования в момент времени t .
Общую оценку качества функционирования насосной группы НПС дает математическое ожидание функции 93* ( t ) как среднее по множеству набдвдений случайного процесса Ф [%$ (t)] в произвольный момент времени t
Ф (L) • ПФ:(0* Пф&Ф],
называемое показателем качества функционирования системы.
Наряду с показателем качества Ф ( t ) функционирование насосной группы характеризуется выходным эффектом (полезным результатом) на некотором интервале врсмепи, например, между плановыми техг ническими обслуживанилми (ТО), /0, t /.
Показателем эффективности функционирования насосной группы является математическое ожидание характеристики качества функцио-
|
нирования ее на интервале времени |
|
называемое средним эффектом системы.
Показатели качества и эффективности функционирования насосной группы учитывают надежность отдельных агрегатов, а также принцип оценки последствий отказа всей насосной группы. Поэтому показатели надежности насосной группы определяются как функции, оценивавшие степень снижения показателей качества и эффективиости функционирования ее из-за ненадежности элементов.
Различают мгновенный и интервальный показатель надежности насосной группы.
Мгновенный показатель надежности определяется как относительный показатель качества функционирования и вычисляется по формуле
(П.2.1)
показатель качества функционирования группы
идеальных насосных агрегатов (условное математическое ожидание характеристики качества функционирования насосной группы при условии, что насосные агрегаты абсолютно безотказны).
|
|
группы в состоянии S , характеризующий относительное снижение |
Учитывая, что насосная группа имеет конечное число дискретных составляй, можно записать:
(П.2.2)
качества функционирования насосной группы в состоянии S ; Р-- вероятность функционирования в состоянии £ •
Интервальный показатель надежности насосной группы r[o,t] определяется как отношение ее среднего эффекта к соответствующему показателю группы идеальных насосных агрегатов:
где % [о, t]- показатель качества функционирования группы идеальных насосных агрегатов в рассматриваемом интервале времени. Учитывая, что в таком случае % [о, t] - ф0 и пренебрегая состояниями, характеризуемыми числом отказавших агрегатов, превышающим количество резервны! более, чем на единицу, как весьма маловероятными, получим для интервального показателя надежности насосной группы следующее выражение;
r(t) 3 P0(t) + * Р№), (П.2.4.)
где Po(t) - вероятность функционирования насосной группы в течение времени £ с требуемым уровнем качества функционирования
(t) - уровень качества и вероятность функционирования насосной группы о числом агрегатов, на единицу меньшим требуемого количества.
Поскольку насосная группа предназначена для обеспечения бесперебойной перекачки продукта в заданном объеме, за характеристику качества функционирования принимается функция расхода, номинальное значение которой может быть определено из уравнения баланса напоров Г) - (Н- & 2
40 , (П.2.5.)
где И - дифференциальный напор станции; ft) - коэффициент, зависящий от режима перекачки; ^ - гидравлический уклон при Q =1; £ - длина участка между соседними станциями; Л 2? - разность геодезических отметок начальной и конечной точек участка нефтепровода.
Для оценки относительного снижения качества функционирования
насосной группы в состоянии частичного отказа для нефтепроводов с горизон.альными участками равной длины может быть использована формула /3/: _ ^
/ fn~s + Итак]
^ = ( гп Тн~\
где /?, Р - соответственно число рабочих и отказавших насосных агрегатов; Нгг.ЛК - максимальный напор, определяемый расчетом на прочность.
Для определения вероятностей состояний насосной группы в произвольный момент времени ( t ) необходимо формализовать реальный процесс изменения ее состояний. Будем считат , что момент отказа насосного агрегата обнаруживается сразу, при этом отказавший агрегат немедленно заменяется резервным. Такое допущение соответствует случаю, когда осуществляется постоянный контроль за состоянием оборудования, а переключающие устройства характеризуются малой продолжительностью переключения и высокой надежно:ты>.
Переход насосной группы из состояния в состояние характеризуется отказсы или восстановлением только одного агрегата. Полагая, что каждый arpera* характеризуемся постоянной интенсивностью отказов Л # равной среднему значению параметра потока отказов
i т
и восстановлений JU ~- среднее время восстановления), изменение состояний насосной группы можно описать однородным марковским процессом о конечным числом состояний.
На рис.1 представлен граф переходов насосной группы из состояния в состояние для случая неограниченного восстановления отказавших агрегатов и режима работы "2 рабочих +■ I резервный*.
Рассматриваемому случаю соответствует следующая матрица интен
сивностей переходов:
Г-2 Я г Я
J* -(гЯ+f) 2Я О A.JU -(Я + Zfi)
о О 3jV
Рис. I. Гроф состояний насосной группы, состоящей из двух рабочих и одного резервного агрегата
а) схема всех возможных состоящий,
б) укрупненная схема состояний по числу отказавших агрегатов
Веди связать вероятности с остатний в момент времени I выраженные через элементы матрицы Л,с вероятностями в момент ( t + dt ) и перейти в пределу при olt О , то можно получить систему дифференциальных уравнений с постоянными коэффициента-
" 4 7(t) - jfr■ P(t),
_ Cft ' (ПА8.)
P(V- вектор вероятностей состояний в момент времени t *
6 ГУ
P(t) -
А Т Р*** Г УI
v# - транспонированная матрица А*
Система (П,2.8.) применительно к случаю, представленному на
рисунке, имеет вид
Pe'(t)= -2SiP0(t) + уг/Р, W
ft* (О* 2 5? ft (ГО - (25? vOA(t)12///5 СО (П.2.9.) ft' (0= 2 5? ft rO-(fi+ 2/t)Рг (t)*3juP3( tj ft' (0 = -Я ft (t) ~ З^РЛ (t)
Решая систъму (П.2.9,) на ЭВМ при начальных условиях
можно определить зжачения^эероятностей различных состояний насосной группы в произвольный момент времени t , а следовательно, и мгновенный показатель надежности по формуле (П.2.2.).
На практике обычно интересуются функционированием насосной группы на участках времени, далеких от начального, В этом случае в системе Ш,2,9«) можно пользоваться стационарными значения1 л вероятностей состояний, поскольку для любого начального состояния $ су чествуют пределы /3/:
'tim Ps(t)=PS) S- 1,2, ... ГНК
t -* О*
Переходя к пределу в системе (Щ2.9.), подучим систему алгебраических уравнения для стационарных значений вероятностей соо-тояшй Г2ЯРо + jHPi =о
, гяро -(Si+j*)Pi +2jb Pi =о 2. Si Pi — (Si +2/*)Рг i- 3J4 P3 **0 (П.2.К
Ь+к
Кроме того, имеем 2 P$ - i . S=o
.Si Рг ~ 3JH Ps = О
Решение системы СШ2.Ю.) имеет вид: /J 2*4tZ,$у
где Os = ijiLE Аля QiK ; (П.2.Ц.)
Ф? = (*ZL p (n-if АЛ* S7K
tf • IXo V ( >
P° ~[fro&sJ
S s-x-1
i-iY алЯ S7*
Si (П.2.12.)
Для определения интервального показателя надежности насосной группы Г (t) необходимо предварительно рассчитать вероятности функционирования наоооной группы на рассматриваемом интервале времени с требуедем уровнем качества ( = I) и уровнем dу #
соответстнупюш состоянию частичного отказа ( S =* К+ 1 ). С
этой целью воспользуемся математическим аппаратом теории вероятностей, рассматривая частичный отказ насосной группы как сложное событие, возникающее в результате двух элементарных:
I—в момент времени V происходит отказ одного из работажн вдх насосных агрегатов, вместо него подключается резервный агрегат, а отказавший выводится на ремонт и с дальнейшем становится резервным;
2-за оставшееся до планового технического обслуживания время ( ^ ^ ) ь течение среднего времени ремонта отказавшего агре
гата отказывает один из работающих агрегатов, что приводит
к частичному отказ* насосной группы»
Вероятность того, что за время / О, £ / произойдут оба указанных события, определяется по теореме о полной вероятности
Рк., (t) = J / (t) ■ (П.2.13.)
где (Тср)- соответственно функция плотности вероят
ности и условная вероятность отказа одного из ^ функционирующих агрегатов ва время Тер ;
У = 1- Рп'р^ Рр (г<?)- (П.2.14.)
Здесь Рп-Лг+Ър), (V - вероятность безотказной работы
оставшихся ( П -I) рабочих агрегатов соответственно за время от О до ( X ) и X ; Рр ( Хер ) - вероятность безотказной ра
боты подключенного резервного агрегата за время Хер.
Принимая, как и при определении вероятностей Р$ (^) в произвольный момент времени, законы распределения наработки и времени восстановления экспоненциальными, подучаем
К о L е~(»-<>Яъ J ш.2.15.)
= е-”Я£_ е~»яър +
Вероятность функционирования насосной группы в течение времени t с требуемым уровнем качества определяется как вероятность противоположного ообытия по формуле:
о /1 \ а-»&(иХсй
fi(L) = e +е ^-е • (п.гле.)
Подстановка значений (t) по (П.2.15.) и
(П.2.16.) и значения , оцененного по формуле (П.2.6.), или
определенного точно путем непосредственных замеров расхода, дает
значение интервального показателя надежности насосной группы ь течение времени £ • Так, для случая /V *= I (ламинарный режим
Методика предназначена для работников трубопроводного транспорта, занимающихся вопросами оценки, контроля и поддержания необходимого уровня надежности нефтеперекачивающих станций на стадиях проектирования и эксплуатации.
Методика разработана в отделе надежности магистральных нефтепроводов ЕНИИСПТнефть авторским коллективом в составе: к.т.н., с.н.с. Г^ыврова А.Г., к.т.н. Ирмякова Р.З., рук.темы, с.н.с. Гараевой В.А., м.н.с. Кудашевой А.А.
течения) получается следу пцая аналитическая зависимость интервального показателя надежности от показателей безотказности и ремонтопригодности насосных агрегатов :
r(t)~ 1-Si.tip ■+ SlVcp ■ е. • (П.2.Г7.)
Аналогично определяется интервальный показатель надежности для турбулентного режима течения годности (при М « 0,25 и to =0,123).
РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕП^ЕКАЧИВАЩИХ СТАНЦИЙ ^МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ
Приказом Министерства нефтяной промышленности от12.01.84* 39
срок введения с 01,03.84г.. .
Срок действия до 29.02.89г. Вводится впервые
Настоящая методика предназначена для определена,, показателей надежности нефтеперекачивающих станций на стадиях проектирова^ш и эксплуатации.
I. ОНЦИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Методика устанавливает единый подхог к определению видов и значений показателей надежности нефтеперекачивающей станции (НПС) и ее основных подсистем.
1.2. Методика разработана в развитие РД 39-1-62-78 "Методика определения показателей надежности магистрального нефтепровода” применительно к специфике функционирования НПС /I/.
1.3. Расчетная схема методики учитывает иерархическую структуру НПС.
I.3.I. Нефтеперекачивающая станция расчленяется на отдельные подсистемы, определяйте структурную надежность системы (группа основных насосных агрегатов, подснотема электроснабжения, общестанционные вспомогательные устройства, а также подсистемы подпорных насосных агрегатов и резервуаров - в случае рассмотрения гсг-овной НПС).
1.3.2. Подсистеьы, в зависимости от степени подробности рас-
смотрения НПС, расчленяются на блоки» устройства и отдельные элементы (узлы, детали).
1.4. Каждая подсистема рассматривается отдельно. Группы основных и подпорных насосных агрегатов, характеризуются различными состояниями и соответствующими им значениями показателей качества функционирования (производительности НПС), а потому рассматриваются как сложные технические системы.
1.5. В основу определения надежности подсистем основных и подпорных насосных агрегатов в соответствии с межотраслевой методикой /2/ положен метод, позволяющий оценить надежность с точки зрения выполнения основной задачи - перекачки нефти с заданной производительдостью. Количественные значения показателей надежности подсистемы насосных агрегатов определяются с помощью функционалов, оценивающих степень снижения производительности НПС из-за ненадежности оборудования.
1.6. Показатель надежности нефтеперекачивающих станций определяемся по формуле
(о * д «< (*),
где - показатель надежности Z-ofl подсиотемы НПС, определяемый в методике в предположении равнонадежности основного и резервного оборудования.
1.7. Для расчете показателей надежности НПС и ее подсистем разработана программа расчета на ЭВМ ВС-1020. Программа находится в ВЦ БНИИСПТнефгь.
1.8. Пояснения к терминам и определениям, употребляемым в Методике, приведены в приложении I.
1.9. В приложении 2 даются примеры расчета показателей надежности НПС и ее подсистем, а в приложении 3 - результаты расчетов на ЭВМ-1020, представленные в виде графиков и табличных значений.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НШ'ЕПЕРЕКА^ШАЩИХ СТАНЦИЙ
2.1. (Ьцюдедению показателей надежности НПС предшествует четкая классификация оборудования по функциональному признаку и выявление независимых подсистем.
2.2. Пример возможного расчленения НПС на подсистемы, оОьединящие оборудование по функциональному признак, приведены в таблице.
Та б ища
Пример возможного расчленения нефтеперекачивающей станции на подсистемы по функциональному признаку
Сообщение дополнительной механической энергии перекачиваемой жидкости с целью обеспечения требуемой производительности МН.
Наименование[перечень Объектов, входящих j Функциональное назна-подсистеш | в подсистему j чение подсистемы
I. Группа основ- Магистральные (подпорные) ных (подпорных) насосы с приводом, технодо-насосных агре- гическсй обвязкой, встрсен-гатов лыми системами смазки, ох
2. Общеотанци-онные вспомогательные устройства
лаждения, откачки утечек, индивидуальных зашит и др.
Централизованная система Обеспечение нормаль-
смазки (масляные насосы с ной работы насосных
приводом, холодильниками, агрегатов
фильтрами коллекторами и арматурой, включая арматуру на отводах к магистральным и подпорным насосам), централизованная установка охлаждения электродвигателей, оистема сбора и откачки утечек установки разгрузки и вентиляции.
3, Система электроснабжения
Электропсдстапция, силовые трансформаторы, открытые, закрытые и комплектные распределительные устройства (С(РУ,ЗРУ,КРУ), воздушные и кабельные линии электропередач, устройства автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР), устройства автоматических зашит
Питание объектов перекачивающей станции электроэнергией установленного качества
4.Система общэ-станционяой автоматики, телемеханики и НМЛ
Операторная, щиты управле- Контроль и оперативная и контроля.устройства ное управление тех-общестанциошгкх защит от нологическяма про-повышения давления в коллек-цессами перекачки торе, падения давления на нефти и ыефгепро-всасывания станции от зага- дуктов зованности помещений в насосных, защиты от падения давления масла и прочих неисправностей
5. Резервуары с оборудованием и трубопроводной обвязкой
Приемо-раздаточные и вентиляционные патрубки, замерный и световой люки, люк-лаз, хлопушка, дыхательный и гидравлические клапаны, огневые предохранители, подъемные трубы, певокамеры
3. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ П0ДСИСТЭ4 основных и подлогах насосных агсегатов
Основным показателем, характеризующим надежность названных подсистем с учетом специфики назначения и функционирования насосного оборудования, является интервальный показатель Г* ( t), име-
вднй смысл вероятности выполнения основной задачи - перекачки нефти на .аданном интервале времени i .
Дополнительным показателем надежности является мгновенный показатель И ( t ), оценивающий надежнооть подсистемы насосных агрегатов в произвольный момент времени t t имеющий смысл коэффициента готовности.
3.1. Расчет интервального показателя надежности
3.1.1. Определяемся вероятность функционирования насосной группы в некотором интервале времени i в полностью работоспособном состоянии (о требуеиш числом насосных агрегатов пу:
(I)
3.1.2. Определяется вероятность функционирования насосной группы в состоянии частичного отказа (при работе с числом насосных агрегатов, на единицу меньшим требуемого количества);
1~Р0(Ц, (2)
где К - чиоло резервных агрегатов
3.1.3. Определяется уровень качества функционирования насосной группы в состоянии частичного отказа :
I _ Як* -I (t' , ,,,
K+1 Qc (t) ' (3)
где - соответственно производительность MH
при работе НПО с требуемым числом насосных агрегатов и при числе отказавших агрегатов f , равном К + 1 .
3.1.4. Определяется интервальный показатель надежности насосной группы в течение требуемого времени t •
г (t) - Р0 (t) (t). и.
3.2. Расчет мгновенного показателя надежности подсистемы насосных агрегатов
3.2.1. Определяйся возможные состояние подсистемы. Кдассифи-
цируются и присваиваются вомера в соответствии с числом отказавших в момент времени t агрегатов ( S » 0,1,2,.*. п+К ), где П - число рабочих, К - число резервных агрегатов.
3.2.2. Определяются вероятности пребывания насосной группы в каждом состоянии как решение системы дифференциальных уравнений (см.приложение I) или их стационарные значения по формулам:
/j - Os • Ро , (5)
Г Л -7
ft ■ IS. >
'(nSlt)'
g ! <7 /
П (h-i) дл* s7к
L si i Jo *
3.2.3. Определяется уровень качества функционирования насосной группы в каждом состоянии
, , ; ьМ) ’ т
где (Jc ( I ), ( L ) - соответственно производительность МН при
работе HDC с требуемым числом насосных агрегатов и при числе отказа тих агрегатов, равней Я •
Значения t )9 Qs ( t ) могут быть рассчитаны аналитически по формулам расхода для проектируемых НДС или определены путем непосредственных замеров на действующих НДС.
3.2.4. Определяется показатель качества функционирования насосной группы как математическое ожидание функции ( ь ) i
Q(t)m л? Qs (V. (в)
3.2.5. Определяется мгновенный показатель надежности насосной группы как относительный показатель качества функционирования:
где df t Г$ { i ) - .уровень качества и вероятность функционирования несомой группы в состоянии $ •
Для стационарного режима эксплуатации ft- ( t ) а Я = Const,
4. РАСЧЕТ НАДШОСТИ ПОДЖТЕМ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ, ЗЛИОРОСНАНЕНИЯ, АВТОГШИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И КИП
4.Х. Надежность названных подсистем оценивается вероятностью выполнения задания Р ( t ) в течение заданного интервала времени t , определяемого временем непрерывной работы группы основных насосных агрегатов. Ненадежность характеризуется вероятностью полного отказа. Частичные отказы и соответствующие этим состояниям показатели надежности не характерны, поскольку число рабочего оборудования в рассматриваемых подсистемах равно единице.
4.2. Уточняется состав оборудования и вид структурного резерви
рования.
4.3. В случае работы подсистемы в режиме ненагруженного резерва (характерно длх вспомогатед*-ого технологического оборудования) вероятность выполнения задания определяется как полная вероятность сложного события по Формуле
РЧ) * Po(t) * [l~ to (£)]'% ftcp)' Krh.ij , (I0)
где Po ( t), /*( Ъср ) - соответственно вероятность безотказной работы рабочего (резервного) оборудования в течение времени t и ореднего времени восстановления отказавшего устройства;
№ Гьу - коэффициент готовности переключающего устройства.
4.4. В случае нагруженного резерва (оборудование подсистемы электроснабжения) вероятность выполнения задания определяется по формуле
P(t)=i-[i-p.(i>] (П)
