1.4 Требования, предъявляемые к проектам новых технических средств

В процессе проектно-конструкторской деятельности стре­мят­ся создать технические средства, дающие наибольший экономический эффект. При этом стремятся к получению высоких технико-экономических и эксплуатационных показателей. В насто­ящее время используют следующие виды показателей ка­чества технических средств:

- показатели функционирования, характеризующие полезный эффект от использования технического средства по служебному назначению и определяющие область его применения;

- показатели надежности, определяющие свойство технического средства сохранять свою работоспособность во времени;

- показатели технологичности, характеризующие эффективность конструкторско-технических решений для обеспечения высокой произ­водительности труда при изготовлении и ремонте технических средств;

• эргономические показатели, характеризующие систему человек-изделие-среда и учитывающие комплекс гигиенических, антропологических, физиологических и психофизиологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых условиях;

• эстетические показатели, характеризующие внешние свойства технического средства: выразительность, оригинальность, гармоничность, целостность и т.д.;

- показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использования в техническом средстве стандартных изделий и уровень унификации составных его частей;

- патентно-правовые показатели, отражающие степень патентной защиты конструктивных решений в стране и за рубежом, а также его патентную чистоту;

- экономические показатели, характеризующие затраты на разра­ботку, изготовление и эксплуатацию технического средства, а также экономическую эффективность его эксплуатации.

Кроме приведенных выше показателей в настоящее время предс­тавляется необходимым введение и такого, как показатель рациональ­ной ликвидации технического средства. Этот вопрос становится актуальным в связи с проблемой вовлечения в экономику вторичных ресурсов. Срок службы технических средств постоянно сокращается из-за их морального старения. Поэтому в их конструкции необходимо предусматривать возможность расчленения устаревших экземпляров на агрегаты, которые могут быть повторно использованы в других систе­мах. Следует подчеркнуть, что только учет всего многообразия фак­торов, их тщательный анализ дает основание конструктору выбирать из большого числа возможных вариантов решение, близкое к оптималь­ному. Насколько сложна сегодня работа проектировщика-конструктора, можно судить по тому, что при конструировании действуют и учитываются более 300 только общемашиностроительных параметров.

Показатели качества - это комплекс критериев, используемых для оценки принимаемых решений на различных этапах создания технических средств. Вследствие специфических условий производства и эксплуатации эти критерии могут быть различны, что приводит к много вариантности проектных решений.

При проектировании технических средств в первую очередь нахо­дят разрешение противоречия между требованиями эксплуатации и тре­бованиями производства. С точки зрения стабильности они не одноз­начны. Требования эксплуатации, как и требования производства, в большинстве случаев могут быть представлены несколькими вариантами. Аналогичное положение имеет место при рассмотрении каждого ва­рианта требований, так как ему может соответствовать некоторое множество вариантов конструкции технического средства, из которых выбирается оптимальный. Между отдельными видами требований эксплу­атации и требованиями производства имеются взаимосвязи.

Следовательно, совокупности, с которыми приходится иметь дело проектировщикам, существенно комбинаторны, т.е., как правило, пос­ледовательно необозримы, хотя и перечислимы теоретически. В част­ности это означает, что переход от простых систем к более сложным системам сопровождается настолько быстрым ростом числа возможных вариантов технических средств, что даже вычисление этого числа ва­риантов становится самоцелью.

Из изложенного ясно, что в настоящее время проектировщику сложных систем приходится иметь дело не просто со сложными требо­ваниями, а с комплексными требованиями, в основе которых лежат процессы разной природы.

1-5. Системный подход к проектированию

Электроэнергетические установки, электрические станции, подс­танции, линии электропередачи, электрические сети, системы элект­роснабжения являются подсистемами ЭЭС, ОЭС, ЕЭС. Последние предс­тавляют собой большие системы искусственного типа, обладающие це­лым рядом характерных признаков, таких, как

— целенаправленность выполнения функций при изменении условий;

— организация взаимодействия множеств элементов и подсистем, включая человека, для достижения поставленных целей;

— множественность изменяющихся параметров, определяющих функционирование и его результаты;

— управление функционированием и развитием в условиях неодноз­начно известного поведения системы и ее окружения;

— непрерывное развитие во времени целей, возможностей и органи­зации управления;

— наличие многих критериев для оценки удачности решений по уп­равлению развитием и функционированием.

Большие системы требуют для своего изучения и проектирования особого, системного, подхода, который является одной из форм диа­лектического подхода к рассмотрению сложных явлений.

Системный подход подразумевает комплексное, многостороннее, рассмотрение объекта при его исследовании и проектировании с уче­том множественности его свойств и неопределенности имеющейся ин­формации. Системный подход является средством преодоления метафи­зического мышления (в форме догматических, релятивистских и эклек­тических решений), а также логических ошибок и эмоциональных пристрастий проектировщика. Системный подход концентрирует внима­ние инженера и исследователя на существенных свойствах больших систем - множественности и неопределенности.

Множественность - это свойство предмета мысли быть представ­ленным совокупностью (множеством) предметов, составляющих объем понятия. У больших систем существуют счетные множества целей, функций, элементов, параметров, условий, факторов, свойств, состо­яний, событий, результатов, вариантов, связей, этапов развития и др.

Неопределенность - это свойство множества предметов мысли. Заключающееся в невозможности однозначного определения его сущест­венных признаков. Причина неопределенности непрерывность процесса развития и познания предмета мысли (системы и ее окружения) во времени. Образно говоря, сегодняшние знания относятся ко вчерашне­му дню, завтрашние условия будут отличаться от сегодняшних и вче­рашних.

Вышеперечисленные счетные множества, характеризующие большие системы, в зависимости от времени рассмотрения объекта могут быть неопределенными по составу (перечню), по важности (значимости) своих компонентов и по вероятности реализации этих компонентов в будущем.

Несчетные множества параметров конструкций, режимов, условий, показателей и факторов могут быть неопределенными по значению, по возможному диапазону и по распределению вероятностей значений.

Для формализованного описания конкретных больших систем энер­гетики и их установок требуется раскрытие неопределенности указан­ных множеств в различных формах: в виде перечисления компонентов, упорядочения (сравнение, ранжировка, взвешивание) предметов и свойств, систематизации (распознавание признаков, составление иерархии отношений), измерений, экспертной оценки и расчета. В зависимости от конкретных условий при проектировании электроэнергетических установок для раскрытия неопределенности используются:

анализ ретроспективной информации;

постановка активных и пассивных экспериментов;

дедуктивные и индуктивные рассуждения на основе достоверных исходных посылок;

математическое и физическое моделирование процессов;

экспертные и эвристические методы типа метода Делфи и метода мозгового штурма.

Вследствие невозможности абсолютно полного и достоверного раскрытия неопределенности при известной заблаговременное проек­тирования ЭЭС, ОЭС и ЕЭС предъявляется ряд требований к формальным оценочным и оптимизационным моделям, используемым при решении проектных задач (в операциях и процедурах). В моделях должна учиты­ваться воспроизводимость объектов рассматриваемого класса на прак­тике, т. е. массовость или уникальность. Модели должны быть убеди­тельными для инженеров в отношении учитываемых факторов и принятых допущений.

Точность оценочной модели задается необходимостью уверенно различать технические характеристики при сравнении вариантов тех­нических решений и определяется возможностями экспериментальных и вычислительных методов и точностью исходных данных. В качестве ме­ры точности в оценочных моделях выступают максимальные и среднеквадратические погрешности, верхние и нижние доверительные границы, максимальные и минимальные оценки значений величин по уравнениям регрессии, оптимистические и пессимистические экспертные оценки.

От уровня точности моделей зависят вероятности ошибок при принятии технических решений: ошибка первого рода с вероятностью К браковки верного решения (риск поставщика); ошибка второго рода с вероятностью Р принятия неверного решения (риск потребителя). Чем меньше эти вероятности, тем больше достоверность результатов решения.

От точности, убедительности и достоверности зависит степень уверенности в правильности принимаемых решений.

Оптимизационные модели в условиях неопределенности исходной информации должны учитывать необходимость корректировки решений при возможных изменениях расчетных условий. Следовательно, гибким вариантам должно отдаваться предпочтение, а выбранное оптимальное решение необходимо проверять на устойчивость при изменении исходных данных. Оптимизационные модели должны быть приспособ­лены к смене критериев эффективности решений при возникновении зо­ны неопределенности (неразличимости вариантов), давать возможность поиска и синтеза новых эффективных решений на основе многокритери­ального подхода.

Решение практических задач проектирования связано также с не­определенностью требований к техническим показателям установок. Требования и их значимость неодинаковы в разных задачах на разных этапах и, следовательно, не могут быть всегда однозначно определе­ны всеми лицами, ответственными за решения.

Системный подход к решению задач проектирования опирается на достижения современной математики и вычислительной техники. При этом используются модели технической кибернетики, теории вероят­ностей, математической статистики, теории информации, теории исс­ледования операций, теории больших систем, теории экспертных оце­нок, факторного эксперимента, теории распознавания образов и тео­рии надежности. Системный подход позволяет учитывать случайность событий, неопределенность исходной информации, неоднозначность ре­зультатов и рекомендаций, диффузность связей между входными и вы­ходными характеристиками объектов, множественность вариантов реше­ний и действий подсистем.

Решение оценочных и оптимизационных задач при выполнении опе­раций и процедур алгоритма проектирования электроэнергетических установок с выдачей результата в форме проектного документа требу­ет высокой скорости при минимуме трудозатрат. Это требование дик­туется высокими темпами развития энергетики и сжатыми сроками вы­полнения проектных работ. С другой стороны, от качества выполнения проектов станций зависит эффективность функционирования ЭЭС, ОЭС и ЕЭС, а следовательно, всего хозяйства.

Повышению качества и скорости проектирования способствует создание специализированных проектных организаций, ведение поиско­вых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в НИИ и вузах. При этом проектирование и исследования ведутся комплекс­но на основе системного подхода. Крупная электростанция рассматри­вается как сложная система, и все ее подсистемы проектирует одна организация, начиная работу с предварительных изысканий и заказа специальных исследований, кончая ее выдачей технической документа­ции и курированием строительства и монтажа.

Системный характер носит и разработка топливно-энергетических и водохозяйственных комплексов, где наряду с энергетическими объ­ектами ТЭС, АЭС, и ГЭС рассматриваются вопросы, связанные с ис­пользованием природных ресурсов и охраной окружающей среды.

Повышение качества проектов обеспечивается, с одной стороны, учетом опыта строительства и эксплуатации, с другой стороны, неп­рерывным потоком новых технических решений. Ускорение проектирова­ния обусловливается применением типовых, проверенных проектных ре­шений, использованием готовых алгоритмов и программ, совершенство­ванием нормативных документов и созданием систем автоматизирован­ного и автоматического проектирования.

Ускорение и удешевление проектирования, и повышение качества проектов достигаются с помощью типового проектирования, т. е. при­менения типовых решений фрагментов проекта. Так, распределительные устройства (РУ) различных электростанций и щиты управления могут быть составлены из типовых ячеек. При проектировании систем элект­роснабжения собственных нужд (СН) можно использовать типовые схемы питания отдельных групп потребителей.

Наличие однородных элементов и фрагментов, а также сходных или одинаковых проектных решений является предпосылкой к типовому проектированию. Для этого необходима унификация элементов и повто­ряющихся в проектах фрагментов. Типовой проект разрабатывают для некоторых усредненных исход­ных условий при широкой номенклатуре элементов и узлов, что позво­ляет на его основе достаточно быстро составлять проект конкретной станции или подстанции. Однако недостатки и ошибки, допущенные в типовом проекте, могут принести большой ущерб, как при многократном его использовании, так и при недостаточной способности типовых ре­шений к адаптации в некоторых условиях.

Сроки строительства, как и проектирования, резко сокращаются при использовании изделий и устройств заводского изготовления. Ка­чество готового объекта при этом значительно улучшается вследствие индустриализации строительно-монтажных работ.

При строительстве используют, а следовательно, включают в проект:

комплектные распределительные устройства (КРУ) высокого нап­ряжения, распределительные щиты и сборки напряжением до 1000 В, токопроводы. панели управления, защиты и автоматики;

унифицированные строительные и архитектурные детали (фунда­ментные блоки, колонны, стеновые и кровельные панели);

строительно-технологические секции повышен­ной заводской готовности, комплектные трансформаторные подстанции, комплектные дизель-электрические станции и др.

Поиск новых технических решений и их обоснование при проекти­ровании новых энергетических объектов является непременным услови­ем высокого качества работы проектировщиков. Своевременная замена морально устаревших элементов, схем и фрагментов новыми изделиями промышленности, новыми решениями, использование результатов науч­но-технической революции определяют технический прогресс в совре­менной энергетике.

Поиск новых, перспективных технических решений должен основы­ваться не столько на инженерной интуиции проектировщика, сколько на знании прошлой и текущей патентной и технической литературы, на правильно организованной патентно-технической службе информации. Эвристический подход отдельных талантливых изобретателей и рацио­нализаторов должен сочетаться с организацией коллективного экс­пертного поиска возможных решений по отдельным фрагментам, подсис­темам и самому объекту в целом в рамках работы научно-технического совета проектной организации.

Поиск новых, эффективных методов решения инженерных задач при оценке технических показателей, оптимизации и выборе параметров объектов требует широкого внедрения научных методов теории иссле­дования операций, системного подхода и математического моделирова­ния.

Конечная цель использования достижений науки и техники и но­вых методов проектирования - экономия ресурсов: ресурсов живого и овеществленного труда, природы и времени - на всех этапах и стади­ях энергетического производства.

Уровни электроснабжения, используемые при проектировании

Условная схема электроснабжения современного промпредприятия включает следующие уровни (ступени):

отдельный электроприемник, агрегат (станок) с многодвигательным приводом или другой группой электроприемников, связанных технологически или территориально и образующих единое изделие определенной паспортной мощностью - первый уровень, питающийся по одной линии, 1УР;

щиты распределительные переменного тока напряжением до 2 кВ и до 1,5 кВ

постоянного тока, щиты управления, шкафы силовые, вводнораспределительные устройства, шинные выводы, сборки, магистрали образуют второй уровень, 2УР;

шины низкого напряжения трансформаторной подстанции 10(б)/0,4 кВ (при рассмотрении следующего уровня - загрузка трансформатора принимает с учетом потерь в нем) - третий уровень, ЗУР;

шины распределительной подстанции РП-10(б) кВ (при рассмотрении следующего уровня - загрузка РП в целом) - четвертый уровень 4 УР;

шины ГПП (ПГВ, ОП) - пятый уровень, 5 УР;

граница предприятия и энергосистемы - шестой уровень (6 УР) - заявляемый, лимитируемый, контролируемый и отчетный уровень.

Указанное количество уровней, если рассматривать систему электрос­набжения завода в целом, можно рассматривать как минимальную. Близкую (подобную) схему и подход можно применить к системе обслуживания и ремонта электрооборудования, к другим вопросам проектирования и управления электрическим хозяйством.

6 УР - уровень потребления электрической энергии: это в целом предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка. Уровень называемый заводом электроснабжения, интегрирует нагрузки ГПП, ПГВ, ОП центральных распределительных подстанций и распределительных устройств заводских ТЭЦ, С системой внешнего электроснабжения энергосис­темы 6 УР связан линиями электропередач, которые присоединены к источникам питания энергосистемы: районным и узловым подстанциям энергосистемы, ГГУ и РУ ТЭЦ, ГРЭС, ТЭС, АЭС энергосистем; ГПП энергосистем, находящихся на территории предприятия, Эти внешние источники имеют номинальное напря­жение от 6 до 750 кВ. Особенность 6 УР заключается в том, что для этого уровня имеются наиболее достоверные, сравнимые и обширные данные по заявленному получасовому максимуму, фактическому максимуму, среднегодовой и среднесуточной нагрузке. Но именно на этом уровне не применима классическая электротехника, нет аналога, имеющего классический физический смысл: нет одной ЛЭП, трансформатора, выключатся и т.д. по которым передается энергия.

5 УР и 4 УР относят к внецеховому электроснабжению, сети называют межцеховыми (магистральными), а напряжение - распределительным (обычно 10 кВ, достигает 110 кВ). От 5 УР осуществляется электроснабжение крупно цеха или района (район конверторного цеха, район ремонтных цехов), от 4 УР питаются цеха, отдельные здания и сооружения. Обслуживание 5 УР осуществляется цехом сетей и подстанций, а 4УР тесно связанный с технологией обслуживается производственным персоналом технологического цеха.

3 УР, 2 УР, I УР это уровни, находящиеся в ведении цеховых электри­ков. Обычное название - цеховое электрооборудование.

Разделение системы электроснабжения на уровни соответствует разделению обязанностей, происходящему на заводах и в проектном деле. 3а показатели 6 УР отвечает служба главного электрика непосредственно (группа контроля и учета) и диспетчер. При проектировании показателей 6УР являются решающими для принятия технических решений. Уровни б УР-3 УР решаются отделом (группой) электрооборудования, выбирающим и размещающим силовое электрооборудование, аппаратуру управления, системы электропривода, освещение, канализацию электроэнергии. В эксплуатации эти функции разделены между цехом (участком) сетей и подстанций и цеховым электротехническим персоналом.

В целом современное крупное промышленное предприятие характери­зуется основными электрическими показателями, которые системно описы­вают 6 УР, позволяют функционально получить около 20 других показате­лей и определяют основные проектные решения по электрической части, Напр. на крупном металлургическом комбинате имеется порядка 10⁵ электрических машин, 10⁶ низковольтных аппаратов, 10⁶ источников света, 10⁶ линий по кабельным журналам. Именно математическое описание этого множества для целей САПР-ЭС и требует теоретического подхода, основанного в большей степени на системных исследованиях, чем на изучении электрической цепи и ее параметров, вытекающих из классических представлений

6 УР - предприятие в целом; 5 УР и 4 УР относятся к внецеховому электроснабжению (от 5 УР осуществляется электроснабжение крупного цеха или района, от 4 УР питаются цеха, отдельные здания и сооружения)

3 УР, 2 УР, I УР - цеховое электрооборудование.

При проектировании уровни 6 УР - 4 УР проектирует отдел (группа)

электроснабжения, уровни 2 УР - 3 УР решаются отделом (группой) электрооборудования.