Повышение надежности децентрализованных энергетических систем северных территорий

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эффек-
тивности функционирования децентрализованных энергетических систем (ЭС) и
комплексов и обеспечения устойчивого энергоснабжения населенных пунктов
Крайнего Севера с минимизацией их опасного воздействия на окружающую среду
при возникновении аварийных ситуаций (АС) природного и техногенного харак-
тера с учетом возможных ущербов.
Специфика природно-климатических условий Крайнего Севера выдвигает
особые требования для комплексного решения проблемы безопасности жизнедея-
тельности при возникновении аварий в системе энергоснабжения (СЭ), которые
сопровождаются значительным экономическим ущербом. Обеспечение эффек-
тивности, надежности и безопасности СЭ децентрализованных потребителей яв-
ляется острой нерешенной проблемой в циркумполярных регионах. Решение этой
проблемы напрямую зависит от применяемой методологии оценки надежности
объектов энергетики и является основой устойчивого функционирования произ-
водственного потенциала арктических территорий страны. Исследованию свойств
ЭС посвящены работы Л.С. Беляева, Н.И. Воропая, Л.А. Мелентьева, Ю.Н. Ру-
денко, И.А. Ушакова, Б.Г. Санеева, С.М. Сендерова, В.Г. Китушина, А.Л. Мызи-
на, Б.В. Папкова, Л.С. Попырина, Е.В. Сенновой, В.А. Стенникова и др. Однако,
используемые в настоящее время методы оценки надежности отдельных элемен-
тов и системы в целом не позволяют в полной мере оценить их безопасность и
обосновать эффективные мероприятия по их совершенствованию, недостаточно
разработаны количественные показатели безопасности функционирования ЭС.
Данные об отказах систем энергоснабжения в условиях Севера представляют со-
бой многокомпонентную информацию, которые могут быть интерпретированы
как результат натурного эксперимента, и использоваться в качестве основы для
решения проблемы эксплуатационной надежности и безопасности технических
систем.
Работа выполнена в рамках научного проекта IХ.88.2.4 «Разработка мето-
дологии и системы моделей для прогнозирования и исследования долгосрочного
развития ТЭК региона Севера в условиях реализации экспортоориентированных
мегаэнергопроектов» на примере Республики Саха (Якутия) по программе фун-
даментальных исследований СО РАН IХ.88.2 «Тенденции и закономерности стра-
тегического развития энергетики Азиатской России в первой половине XXI века с
учетом энергетической кооперации со странами Северо-Восточной Азии».
Объект исследования – децентрализованные энергетические системы се-
верных населенных пунктов и муниципальных образований.
Предмет исследования – характеристики надежности и безопасности де-
централизованных энергетических систем.
Цель работы состоит в повышении надежности децентрализованных си-
стем энергоснабжения северных территорий.
Основная идея диссертации заключается в использовании результатов ана-
лиза статистических данных и рисков возникновения аварийных ситуаций с це-
лью совершенствования энергетических систем и комплексов циркумполярных
регионов на примере децентрализованных систем энергоснабжения Республики
Саха (Якутия).
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие
задачи:
1. Выбор и обоснование показателей эффективности функционирования
энергетических систем и комплексов северных территорий;
2. Разработка методики расчета вероятности неблагоприятных событий де-
централизованной ЭС;
3. Выбор показателей тяжести отказов на основе статистического анализа
аварий ЭС в условиях Крайнего Севера;
4. Оценка ущербов при отказах децентрализованных ЭС;
5. Развитие методов оценки надежности и безопасности децентрализован-
ных систем энергоснабжения.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы
методы: системного анализа, теории вероятностей и математической статистики,
теории надежности, экономико-математического анализа. Собраны и обобщены в
безразмерном виде и проанализированы известные результаты исследований раз-
личных авторов и статистические данные по региону.
Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту:
1. Предложена в общем виде усовершенствованная методика расчета веро-
ятности неблагоприятных событий в децентрализованных неоднородных ЭС;
2. Обоснованы основные показатели эффективности функционирования
децентрализованных СЭ в условиях Крайнего Севера: время восстановления,
температурный режим помещений, ущерб, число людей с нарушенными условия-
ми жизнедеятельности и число пострадавших-эвакуированных людей. Установ-
лены критериальные значения таких показателей, как время восстановления и
температурный режим помещений.
3. На основе анализа ущербов предложена классификация АС СЭ по сово-
купности частных показателей тяжести последствий отказов, позволяющая уста-
навливать класс АС и величины возможных ущербов для децентрализованных
энергетических систем и комплексов.
Значение для теории. Предложенные модели и методы определения пока-
зателей надежности и риска аварийных событий в ЭС создают научную основу
повышения безопасности теплоснабжения в условиях Крайнего Севера.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что полу-
ченные результаты позволяют более обоснованно и корректно решать задачи про-
ектирования децентрализованных систем теплоснабжения в циркумполярных ре-
гионах с учетом макроэкономических характеристик ущерба, выбирать возмож-
ные схемы резервирования и проводить вариантные ситуационные решения по
мероприятиям повышения безопасности системы. Структурно-вероятностный
анализ развития аварий позволяет выделить «слабое звено» системы и дать ре-
комендации по разработке мероприятий, направленных на повышение ее без-
опасности.
Результаты работы использовались при выполнении ИФТПС СО РАН
проектов № III.15.1.5. «Разработка научно-методологического сопровождения ре-
ализации Энергетической стратегии региона Севера с учетом неопределенности
будущих условий при осуществлении масштабных проектов топливно-
энергетического комплекса и магистральных линий электропередачи развития
ЕНЭС на Востоке России» в рамках приоритетного направления исследований СО
РАН III.15 «Основы развития и функционирования энергетических систем в ры-
ночных условиях, включая проблемы энергоэффективности экономики и глобали-
зации энергетики; энергобезопасность; энергоресурсосбережение и комплексное
использование природных топлив» (2010-2012 гг.). Разработаны методические
указания, которые могут быть использованы организациями, занятыми проекти-
рованием и эксплуатацией ЭС в условиях Сибири, Крайнего Севера и Арктики.
Достоверность полученных результатов обеспечена представительным
объемом базы данных, корректным применением апробированных методик расче-
та показателей надежности и безопасности сложных технических систем. Выводы
достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследо-
вателями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях
знаний.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования,
разработке, обосновании и формулировке всех положений, определяющих науч-
ную новизну и практическую значимость, анализе и обобщении результатов,
формулировке выводов и рекомендаций для принятия решений. Развитие основ-
ной научной идеи и общие направления решения задач выполнены при участии
научного руководителя.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Содержание работы соответствует паспорту специальности 05.14.01 –
Энергетические системы и комплексы, входящей в номенклатуру
диссертационного совета Д 212.099.07, и указанным в нѐм областям исследования:
П.1. Разработка научных основ исследования общих свойств, создания и
принципов функционирования энергетических систем и комплексов,
фундаментальные и прикладные системные исследования проблем развития
энергетики городов, регионов и государства, топливно-энергетического
комплекса страны;
П.3. Использование на этапе проектирования и в период эксплуатации
методов математического моделирования с целью исследования и оптимизации
структуры и параметров энергетических систем и комплексов и происходящих в
системах энергетических процессов;
П.6. Исследование влияния технических решений, принимаемых при со-
здании и эксплуатации энергетических систем и комплексов, на их финансово-
экономические и инвестиционные показатели, региональную экономику и эконо-
мику природопользования.
Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные результа-
ты докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конфе-
ренция «ЭРЭЛ-2012» (Якутск), XIV Всероссийской научно-практической конфе-
ренции молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри – 2013), VI Евразий-
ском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов хо-
лодного климата EURASTRENCOLD–2013 (Якутск), 86-м заседании Междуна-
родного научного семинара им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследо-
вания надежности больших систем энергетики» (Санкт-Петербург – 2014), науч-
ной конференции XVIII Лаврентьевские чтения (Якутск – 2014), VII Евразийском
симпозиуме по проблемам надежности материалов и машин для регионов холод-
ного климата EURASTRENCOLD–2014 (Санкт-Петербург), III Всероссийской
научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и
жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение»
(Якутск – 2014), XVII Всероссийской научно-практической конференции молодых
ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри – 2016), VIII Евразийском симпозиуме
по проблемам надежности материалов и машин для регионов холодного климата
EURASTRENCOLD–2018 (Якутск).
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них: 5 статей в
периодических изданиях из перечня ВАК; 1 статья в издании, входящем в базу
цитирования Scopus; 1 статья в сборнике научных трудов; 4 –в материалах Все-
российских конференций.
Структура и объем диссертации. Материалы диссертации изложены на
123 страницах основного текста, включающего 19 рисунков и 11 таблиц. Работа
состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, спис-
ка использованной литературы из 120 наименований и одного приложения.