Оценка эффективности эксплуатации внутриквартальных инженерных систем

Инженерные системы обеспечивают общество и, в первую очередь, граждан России необходимым количеством чистой питьевой воды, тепла, газа, электроэнергии, без которых невозможно развитие производящих и обслуживающих отраслей общества.

На эксплуатацию этих систем затрачиваются огромные средства, но в современных условиях кризис ЖКХ показывает, что эффективность эксплуатации не соответствует требуемой, обеспечивающей поддержание систем в работоспособном состоянии и их рациональное воздействие на окружающую среду.

В большинстве научных и нормативных документов эффективность эксплуатации инженерных систем отождествляется с надежностью оборудования, материальными затратами, связанными с проведением ремонтов и непроизводительными расходами воды, тепло- и электроэнергии. Основными параметрами, характеризующими надежность систем, обычно определяются интенсивность отказов их элементов.

Систему представляют как совокупность соединенного различным образом оборудования, и вероятность ее безотказной работы рассчитывают классическими методами определения надежности параллельно и последовательно соединенных элементов.

Такое упрощенное представление системы оправдано при необходимости быстрой ориентировочной оценки их надежности на качественном уровне. Однако для исследования формирования показателей эксплуатационной эффективности систем с учетом их периодического выборочного восстановления использование одного параметра потоков отказов является недостаточным по следующим причинам: - интенсивность отказов не является постоянной величиной, поскольку представляет собой функцию наработки с момента последней регенерации объекта. В противном случае, при постоянной интенсивности отказов (w=const), речь идет о «нестареющих» объектах, для которых проведение планово-предупредительных мероприятий заведомо нецелесообразно; - отказ элемента системы только в отдельных случаях приводит к тому, что у потребителей происходят недопустимые изменения функциональных параметров. Также не при каждом отказе происходит негативное воздействие наокружающую среду. Вместе с тем, при выполнении ремонтных работ по ликвидации отказа может потребоваться отключение части потребителей, сбросы воды и т.п.

Т.е. отказ элемента и системы в целом не тождественны между собой, а функционально связаны, причем с учетом фактора эксплуатационных действий.

Таким образом, проблема эксплуатации внутриквартальных инженерных систем должна решаться на основании системного анализа надежности оборудования и технических мероприятий по ее обеспечению. В этом аспекте эффективность эксплуатации систем жизнеобеспечения определяется соотношением пользы, получаемой от системы, затрат на поддержание функциональных параметров на заданном уровне и ущербов, возникающих в процессе работы системы.

Известно, что независимо от длительности эксплуатации, используемых материалов и оборудования всегда существует вероятность возникновения неисправности участков или элементов оборудования внутриквартальных инженерных систем.

Любая неисправность, а также мероприятия по ее устранению и предупреждению в той или иной мере являются факторами, дестабилизирующими эффективность функционирования квартальных сетей в одном или нескольких из следующих аспектов: - нарушение функциональных параметров инженерных систем (располагаемого напора, расхода, температуры и т.д.) непосредственно у потребителей. В действующих нормах проектирования и эксплуатации практически не регламентируются возможные отклонения режимов работы систем. Однако во многих случаях подобные нарушения являются определяющими для оценки качества функционирования и эксплуатации инженерного оборудования, отправной точкой для расчета затрат и оплаты услуг потребителями эксплуатирующей организации. Можно утверждать, что события, связанные с возможными не- исправностями, в значительной мере определяют социальную эффективность эксплуатации квартальных сетей; - наличие любой неисправности участков и оборудования, работы по ее устранению, а также плановоредупредительные ремонты всегда оказывают влияние на экологическую ситуацию, связанную с функционированием квартальных сетей.

Экологический риск при эксплуатации квартальных сетей характеризуется непроизводительным использованием водных и энергетических ресурсов, воздействием на литосферу, подтоплением, деградацией почв, угнетением и разрушением растительных компонентов, нарушением качества среды обитания, вызванным производством ремонтных работ; - неисправности оборудования, работы по их предупреждению и ликвидации связаны с определенными материальными затратами. Любые эксплуатационные действия должны обосновываться показателями экономической эффективности. При этом необходимо рассматривать как единовременные затраты, связанные с проведением ремонтных работ, так и ущерб, вызванный неисправностью, определяемый величиной утечек, непроизводительными расходами тепловой энергии и воды, компенсациями последствий неисправностей (в том числе и экологического ущерба) потребителям. Плановые работы по замене участков сети и оборудования предполагают заведомо неполное использование их технического ресурса, что должно быть учтено при оценке экономической эффективности эксплуатации систем.

Таким образом, эффективность эксплуатации внутриквартальных инженерных систем должна оцениваться по социальным, экологическим и экономическим критериям, определяемым надежностью ее элементов и способами организации их эксплуатации.

Рисунок 1. (подробнее) Характер влияния неисправности на социальную и экологическую эффективность систем

По характеру и величине влияния на социальную и экологическую эффективность систем события, связанные с потенциальными неисправностями, подразделяются на мгновенные (рис. 1а) и продолжительные (рис. 1б). В первом случае неисправность сразу же приводит к пропорциональному отклонению функциональных параметров у потребителей или негативному воздействию на среду обитания на некоторую величину ∆R, зависящую от масштаба неисправности и технологической роли участка сети или оборудования в системе. На основании экспертной оценки социального и экологического риска выполняется градация величины ∆R и, тем самым, нормируется величина и продолжительность существования для каждого участка сети и единицы оборудования.

Постепенное изменение функциональных параметров (рис. 1б) при возникновении неисправности у какого-либо из элементов обусловлено инерционностью системы, эффектами технического и временного резервирования, т.е. присущими системе эмерджентными свойствами. В таких случаях отказ системы по социальному критерию происходит через некоторое время после возникновения неисправности при достижении функциональным параметром предельного значения R_пред. Здесь эксплуатационные службы имеют некоторый резерв времени, в течение которого можно избежать социального риска.

Экологический риск и экономические издержки присущи всем вариантам развития неисправности и определяются величиной и продолжительностью неисправного состояния оборудования:

где s(t) – функция изменения экологического риска (материальных затрат) от продолжительности неисправного состояния; F(t) – функция распределения времени безотказной работы объекта.

Неисправности участков и оборудования сетей в течение срока их эксплуатации могут возникать многократно в произвольные моменты времени. Количество нарушений функциональных параметров у потребителей, воздействия на окружающую среду и, тем более, материальных затрат, связанных с неисправностями, может иметь первостепенное значение для оценки эффективности эксплуатации систем. Оценка повторяемости нарушений в системе выполняется показателем частоты возникновения неисправностей, определяющим соотношение количества подобных явлений и продолжительностью времени, в течение которого они произошли.

Рисунок 2. (подробнее) Схема формирования эксплуатационной эффективности квартальных систем

Меньшее значение частоты возникновения неисправностей соответствует более высокому уровню эксплуатационной надежности квартальных систем и, соответственно, лучшему качеству их эксплуатации.

Таким образом, оценка эффективности эксплуатации внутриквартальных инженерных систем должна проводиться комплексом показателей, взаимосвязывающих величину, продолжительность и частоту возникновения неисправностей отдельного оборудования и их социально-эколого-экономические последствия.

Квартальные системы по своим масштабам, времени эксплуатации, технической оснащенности и численности потребителей во многих случаях несоизмеримы между собой. Более масштабные, а также длительно эксплуатируемые системы, при прочих равных условиях, потенциально более склонны к отказам. Это обстоятельство затрудняет объективную оценку работы эксплуатационных предприятий, поскольку при одинаковом удельном объеме и качестве выполнения работ часть из них окажется в заведомо неблагоприятном положении. Критерии эффективности эксплуатации разных систем должны быть соизмеримы между собой, что можно сделать путем приведения их к одному условному потребителю. Например, величина и продолжительность существования неисправностей в любой системе может быть приведена к одному условному потребителю следующим образом:

где N – общее число потребителей в системе; Т – расчетный период времени, на котором выполняется оценка; nⁱ_неиспр – число потребителей, у которых имела место неисправность i-го типа в течение времени tⁱ_неиспр.

Аналогично выполняется приведение к одному условному потребителю экологических и экономических показателей эксплуатационной эффективности внутриквартальных систем.

Рисунок 3. Схема организации эксплуатации, предусматривающей проведение плановых ремонтов с периодом Тппр, и ликвидация неисправностей, возникающих в межремонтный период, посредством аварийных ремонтов

Заданный уровень эффективности эксплуатации квартальных систем обеспечивается в основном за счет предупреждения возникновения неисправностей, а также за счет их оперативного устранения. В общем виде взаимосвязи между эффективностью, организацией эксплуатации, надежностными и техническими особенностями систем представлены на рис. 2.

При разработке стратегии ремонтов предполагается назначение периодичности или условий обновления (замены) оборудования и участков сети, а также оперативности и степени их восстановления при неисправностях, возможность возникновения которых существует в межремонтном периоде. В зависимости от технических и надежностных характеристик оборудования при той или иной выбранной стратегии ремонтов прогнозируется частота возникновения неисправностей. Кроме того, определяется частота проведения планового восстановления частей системы, поскольку эта величина определяет эколого-экономическую, а во многих случаях и социальную эксплуатационную эффективность системы.

Величина и продолжительность возможных неисправностей в основном зависят от технических и технологических характеристик оборудования и, при достаточной оперативности устранения неисправностей, практически не связаны со сроками обновления системы. Поэтому, при долгосрочном стратегическом управлении эксплуатацией, эти характеристики не- исправностей учитываются по величине их значимости и, соответственно, определяют допустимую частоту возникновения подобных ситуаций.

В качестве примера, иллюстрирующего системные взаимосвязи формирования эффективности эксплуатации, ниже рассмотрен вариант перспективного планирования, предусматривающий периодическое выполнение плановых ремонтов (ППР) и ликвидацию неисправностей, возникающих в межремонтный период посредством аварийных ремонтов (АВР). На практике подобная организация эксплуатации известна и применяется как система планово-предупредительных ремонтов - ППР (рис. 3).

Для рассматриваемой модели значения частот возможных аварийных и плановых ремонтов и, соответственно, социальных и экологических воздействий на окружающую среду в зависимости от назначаемой периодичности обновления системы Тппр приведены на рис. 4.

Рисунок 4. Зависимость частоты плановых (ППР) и аварийных (АВР) ремонтов от назначенной периодичности проведения плановых ремонтов

По предельно допустимым значениям частот возникновения неисправностей и воздействия на окружающую среду определяется диапазон межремонтных периодов, при котором обеспечивается требуемый уровень социальной и экологической эффективности системы. В этом диапазоне по критерию экономической эффективности выявляются наиболее приемлемые межремонтные сроки (рис. 5).

Рисунок 5. (подробнее) Зависимость суммарных материальных эксплуатационных затрат от периодичности выполнения плановых ремонтов при различных соотношениях затрат, связанных с проведением плановых и аварийных ремонтов, а также издержек, вызванных потенциальными неисправностями оборудования.

Социальная, экологическая и, в некоторых случаях, экономическая эффективность систем может в определенной мере обеспечиваться в процессе текущей эксплуатации даже при не оптимальных режимах восстановления. Удельный объем неисправного оборудования и участков системы является функцией частоты отказов, продолжительности существования неисправности до начала ее устранения и оперативности выполнения ремонтных работ (рис. 6). Например, при допустимом уровне относительного числа отказов m=0,03 и относительной частоте аварийных ремонтов I_ав=0,9 оперативность эксплуатационной службы должна составлять 12 условных единиц. Если по каким-то причинам произошло изменение межремонтных периодов и частота отказов возросла до I_ав=1,2, то для сохранения общей эксплуатационной эффективности системы потребуется увеличить оперативность эксплуатационной службы до 22 относительных единиц, т.е. почти вдвое. Примерно можно считать, что при изменении частоты возможных отказов на 10% качество функционирования системы может оставаться неизменным, если оперативность обнаружения неисправности увеличить на 10-30%.

Относительная продолжительность устранения неисправности оказывает существенное влияние на удельную численность единиц неисправного оборудования только при условии их оперативного выявления. В этих случаях повышение производительности эксплуатационных служб в два раза приводит к сокращению объемов неисправного оборудования на 10-20%.

Рисунок 6. Круговая диаграмма для оптимизации стратегического и оперативного управления системой Цветные линии – частота отказов оборудования (0,7; 0,9; 1,0; 1,2); Вершины многоугольника - относительная оперативность эксплуатационной службы; концентрические линии - относительное число объектов, находящихся в неисправном состоянии, %.

Здесь необходимо отметить, что высокая оперативность мониторинга состояния оборудования и устранения отказов обеспечивают очень незначительную долю неисправного оборудования в общем объеме – менее 1%. Поэтому реальный социально-эколого-экономический выигрыш за счет быстрого устранения неисправностей в таких условиях может оказаться несущественным.

Таким образом, при соблюдении действующих норм, относящихся к продолжительности устранения неисправностей оборудования, повышение социально-эколого-экономической эффективности внутриквартальных систем за счет оперативности выполнения аварийных работ будет достигнуто только при условии, что повышение оперативности не требует увеличения мощности эксплуатационной службы. Очевидно, что подобная ситуация будет возможна в случае применения прогрессивных технологий (например, бестраншейное восстановление подземных трубопроводов), а также при внедрении оборудования с высокими показателями ремонтопригодности.

Приведенный пример показывает существенность влияния именно эксплуатационных факторов на обеспечение социально-экологоэкономической эффективности внутриквартальных систем при определенном уровне их технической оснащенности. Вместе с тем, используя разработанную для этой и других моделей методику оценки внутрисистемных взаимосвязей, представляется возможным не только оптимизировать процесс эксплуатации в конкретных условиях, но и нормировать требования, предъявляемые к функциональным параметрам систем, а также определять целесообразность модернизации систем посредством внедрения нового оборудования.

Выводы:

1. Оценка эффективности эксплуатации внутриквартальных инженерных систем должна осуществляться комплексом показателей, характеризующих качество среды обитания, сохранение экологического равновесия в окружающей среде, а также экономические затраты, связанные с эксплуатацией. Социальные и экологические показатели должны определять величину, продолжительность и частоту отклонения функциональных параметров у каждого потребителя от регламентированных значений и экологического воздействия на окружающую среду. Экономическая эффективность эксплуатации должна оцениваться с учетом всех затрат, связанных с проведением ремонтов и издержек, вызванных отказами оборудования систем, включая нерациональное использование природных ресурсов, компенсацию социального и экологического ущерба и т.д. Весь комплекс перечисленных показателей должен быть функцией от эксплуатационных воздействий и надежностных свойств оборудования.

2. В настоящее время разработаны методики определения социальных и экологических критериев эксплуатации, а также оптимизации эксплуатационных затрат для наиболее распространенных на практике стратегий эксплуатации. Социально-эколого-экономические критерии в них связаны с условиями назначения и периодичности проведения планово- предупредительных эксплуатационных мероприятий и оперативностью аварийно-восстановительных работ.

3. Разработанные методики позволяют оптимизировать стратегии эксплуатации внутриквартальных инженерных систем, предотвратить их износ и разрушение при существующих материально-технических ограничениях эксплуатационных служб за счет рационального распределения ресурсов и сокращения непроизводительных потерь воды, тепло- и электроэнергии.