Aplikace RCM na armaturní uzly plynové přepravní soustavy

ELECTRIC POWER ENGINEERING 2009

Aplikace RCM na armaturní uzly plynové přepravní soustavy Tadeusz Sikora1), Ivo Komorous2), Stanislav Rusek1), Radomír Goňo1) 1)

VŠB – TU Ostrava, Katedra elektroenergetiky, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, Czech Republic tel: +420 596 999 307, email: [email protected] , 2) RWE Transgas Net, s.r.o., V Olšinách 75/2300, 100 00 Praha 10 email: [email protected]

ABSTRACT V článku je popsána aplikace metodiky RCM (Reliability Centered Maintenance – spolehlivostně orientované údržby) na jednu z nejdůležitějších součástí plynové přepravní soustavy – armaturní uzly (AU). AU plní v přepravní soustavě roli uzavírací (dělící), rozdělovací a propojovací. Stav jednotlivých AU má zásadní vliv na bezpečnou a spolehlivou přepravu plynu jak k odběratelům, tak pro tranzit přes Českou republiku. Hodnoceno je zde jak hledisko důležitosti jednotlivých uzlů, kterými proudí plyn, tak i jejich technický stav. Z poměru výsledné důležitosti a technického stavu vychází optimální pořadí do údržby, resp. rekonstrukce uzlů. Významnou roli zde hraje i zhodnocení finančních nákladů na úkony související s opravami. Keywords: Plynová přepravní soustava, RCM, uzavírací armatury, náklady na údržbu

1 ÚVOD Otázka spolehlivosti technického zařízení je v současné době velmi aktuální. Obzvláště výzkum spolehlivosti infrastrukturních sítí je v současné době moderní trend. Do oblasti infrastrukturních sítí spadá i zařízení plynovodů. Jednou z kategorií výzkumu spolehlivosti je problematika spolehlivostně orientované údržby (RCM). Cílem spolehlivostně orientované údržby je vytvořit takovou strategii údržby, aby se minimalizovaly celkové provozní náklady při zachování nezbytné míry spolehlivosti, bezpečnosti a ohleduplnosti k životnímu prostředí provozovaných zařízení. Současný stav údržby může být v současné době „přehnaný“, údržba se zaměřuje i na ta zařízení, která mají vyhovující technický stav, zatímco na prvky, které jsou téměř v havarijním stavu údržba opomíjí. Na Katedře elektroenergetiky VŠB-TU Ostrava byly vyvinuty dvě metodiky přístupu k RCM : – Optimalizace údržbového cyklu. – Stanovení optimálního pořadí prvků do údržby (RCM podle stavu). Tyto metodiky byly aplikovány na technická zařízení distribučních elektroenergetických sítí. Protože mnohé aplikace byly uvedeny do praxe a po zhodnocení výsledků, byly vyhodnoceny výrazné úspory nákladů na údržbu, je možno konstatovat, že navržené metodiky jsou použitelné. Existuje nesporná analogie mezi elektroenergetickou soustavou a soustavou plynových přenosových zařízení. Je tedy možno provést aplikace navržených metodik RCM na zařízení RWE Transgas Net.

Protože zařízení RWE Transgas Net má charakter „přenosové soustavy“ je pro aplikaci RCM vhodný přístup stanovení optimálního pořadí prvků do údržby (RCM podle stavu). Jako pilotní prvek aplikace RCM na zařízení RWE Transgas Net byl zvolen armaturní uzel (AU).

2 POPIS ARMATURNÍCH UZLŮ Objekt armaturního uzlu (AU) v plynové přenosové soustavě plní funkci uzavírací (dělící), rozdělovací a propojovací. Podle funkce, která je v tomto objektu hlavní, rozeznáváme: - RU – rozdělovací uzly – místo, kde se větví přenosová soustava. Spojuje nejméně tři větve soustavy. - OD – odbočka – obdoba rozdělovacího uzlu, která spojuje hlavní potrubní linii a předávací stanici nebo podzemní zásobník plynu. - PS – předávací stanice – místo, kam je připojen odběratel nebo distribuční společnost. Může být součástí objektu trasového uzávěru. Předávacími stanicemi se v této studii nebudeme zabývat. - KS – vstupně-výstupní objekt kompresní stanice – propojuje tranzitní linie a jednotlivé bloky kompresní stanice. - TU – trasový uzávěr – uzavírá dvě části jedné potrubní linie. Může obsahovat propoj na vedlejší paralelní potrubí. V tabulce 1 jsou uvedeny počty jednotlivých typů armaturních uzlů, včetně množství plynu, které jimi protéká. Tabulka 1: Charakteristika typů armaturních uzlů Přenesené množství Typ

velmi malé

malé

střední

KS OD

7

4

15

RU TU

15

22

31

velké

velmi velké

Celkový součet

5

1

6

17

4

47

3

5

8

59

28

155

Z tabulky vyplývá, že nejpočetnějšími skupinami jsou trasové uzávěry (TU) a odbočky (OD). Na druhou stranu ale rozdělovací uzly (RU) a vstupně-výstupní objekty kompresní stanice (KS) vždy přenášejí velké, nebo velmi velké množství plynu. Jak ukážeme dále, právě tyto objekty tímto mají velkou důležitost, která je zvýhodňuje v pořadí do údržby.

3 ALGORITMUS RCM Cílem analýzy RCM podle stavu je sestavení pořadí, v jakém je nejvhodnější provádět údržbový zásah na daném zařízení. Pro určení optimálního pořadí údržby armaturních uzlů je nutné sestavit algoritmus, jehož výstupem bude na základě znalosti dvou základních parametrům, a to technického stavu a důležitosti, tabulka nebo graf. Pro názornost je na Obr. 1 umístěno několik zařízení do grafu, kde na ose x je vynesena důležitost zařízení a na ose y je opačně vynesen technický stav zařízení. Potom délka úsečky v určuje, kterým zařízením je nutné věnovat při zavádění systému RCM zvýšenou pozornost. Jinak řečeno, čím větší je důležitost zařízení a horší technický stav, tím dříve by se na něm měla provést údržba. Sklon přímky procházející počátkem a 2. a 4. kvadrantem, od které se měří vzdálenost v, nemusí být 45°. Záleží na tom, jestli chceme upřednostnit např. technický stav oproti důležitosti. Obecné vztahy pro obě osy grafu jsou v následujících podkapitolách.

pohotovost zařízení (technický stav)

zařízení 2

při normálním provozu (přenesené množství, tranzit/vnitrostátní, odběr), – při poruchách (havarijní automatika, dálkové řízení), – opravách a odstraňování poruch (propoj na paralelní linii, shybka), – při diagnostice a údržbě potrubí (komora). U některých parametrů důležitosti nejsou k dispozici přesné hodnoty, proto je zvoleno slovní označení (např. přenesené množství plynu, vícenáklady havarijní události…). Parametry důležitosti a jejich hodnocení je v následující tabulce: Tabulka 1: Vstupní parametry důležitosti, hodnoty parametrů a jejich hodnocení Parametr důležitosti Typ AU

Tranzitní/vnitrostátní S propojkou na paralelní linii S přípojkou na odběr

v2 zařízení 1

–

zařízení 3

Telemetrie Ruční/dálkové řízení

v1

v3

45°

důležitost zařízení

Přechod přes řeku – shybka Komora HPO (LNB)

Obr. 1: Určení optimálního pořadí údržby

Vícenáklady rijní události

hava-

Výsledná priorita (%) je dána vztahem: [100-Tech. stav(%)] ⋅ (1-KtechStav) + Důležitost(%) ⋅ KtechStav kde KtechStav je koeficient upřednostňující technický stav oproti důležitosti. 3.1 Důležitost Parametry důležitosti byly voleny tak, aby reflektovaly užitné vlastnosti uzlu:

Význam pro přepravu Přenesené množství za rok (m3)

Hodnocení důležitosti OD RU KS TU Tranzit Vnitro Ano Ne Ano Ne Ano Ne Ruční Dálkové Ano Ne Ano Ne Ano Ne nad 5 mil. Kč 1mil. až 5mil. Kč 100 tis. až 1 mil.Kč 0 až 100 000 Kč Vysoký Standardní malý průtok střední průtok velký průtok

Hodnota (%) 85 90 100 75 100 80 100 80 100 90 100 85 80 100 100 95 100 85 100 80 100 95 90 85 100 90 90 95 100

Obr. 2: Vyhodnocení důležitosti armaturního uzlu Vyhodnocení důležitosti je ilustrováno na Obr. 2. Pro každý zadaný parametr důležitosti (např. „Vícenáklady havarijní události“) se podle tabulky 1 přiřadí procentní hodnota důležitosti (např. „nad 5 000 000 Kč“ se přiřadí hodnota „100“). Tato hodnota se dále podle tabulky „Váhy kritérii důležitosti“ na listu Váhy pomocí vzorce (viz pravá dolní část obr. 2) přepočte na váženou hodnotu technického stavu. Nakonec se všechny vážené hodnoty technického stavu Di přepočtou pomocí vzorce na výslednou hodnotu důležitosti D. 3.2 Popis parametrů důležitosti Parametr Tranzitní / vnitrostátní vyjadřuje, zda uzlem prochází alespoň jeden tranzitní plynovod. Možnost alespoň částečného zálohování přenosové kapacity dvou nebo více paralelních plynovodů určuje parametr S propojkou na paralelní linii. Přípojka na odběr je u těch uzlů, ze kterých vede potrubí přímo na předávací stanici. Není přitom rozlišeno, zda je to předávací stanice odběrateli, nebo předávací stanice podzemního zásobníku plynu. Telemetrie a dálkové řízení vyjadřuje možnost dálkově řídit uzel a odečítat z něj data. Shybka = Ano je u objektů, u kterých alespoň z jedné strany je na některém potrubí přechod přes řeku. Parametr Komora vyjadřuje, zda-li v daném AU je konec úseku některé potrubní linie, tedy i komora. HPO zohledňuje, zda v daném uzlu je instalována protihavarijní automatika. Položka Vícenáklady havarijní události vychází ze světlosti přilehlých úseků potrubí a zohledňují množství plynu v přilehlých potrubích, které v případě havárie unikne. Význam pro přepravu vychází také z největšího potrubí v uzlu. Pokud je zde potrubí s DN 1000 nebo větším, pak je význam Vysoký, jinak Standardní.

3.3 Technický stav Technický stav vychází z hodnocení technického stavu jednotlivých uzavíracích armatur a z hodnocení přechodů země/vzduch na potrubí. V následující tabulce jsou popsány parametry hodnocení uzavíracích armatur. Tabulka 2: Technický stav uzavíracích armatur Stáří armatury

Celkový mechanický stav armatury Celkový mechanický stav pohonu Určení armatury

Těsnost armatury vnitřní (kategorie)

Těsnost armatury vnější (kat.)

Do 10let Do 20let Nad 20let Dobrý Průměrný Špatný Dobrý Průměrný Špatný V potrubním dvoře nebo propoj (zastupitelný) V potrubním dvoře nebo propoj plynovodů přímý Dělící sekce nebo trasová armatura Sání/výtlak stroje, havarijní komín, odtlak P0 P1 P2 P3 V0 V1 V2

0 5 10 0 5 15 0 5 15 0 10 20 30 0 5 5-50 50 0 10 50

Obr. 3: Vyhodnocení technického stavu

Obr. 4: Výsledné vyhodnocení AU Hodnoty technického stavu všech přechodů země vzduch v AU jsou sčítány a následně vyděleny počtem uzavíracích armatur s jmenovitou světlostí DN >= 300 (mezní světlost pro přenosová potrubí). Počet přechodů země vzduch se z dostupných údajů nedá zjistit. Proto počet armatur nelépe vypovídá o velikosti uzlu. Tento počet armatur jednoduše vyčísluje velikost AU a dá se tak zprůměrovat stav přechodů v celém uzlu. Tabulka 3: Hodnoty technického stavu přechodů 0 - Stupeň 0 1 - Stupeň 1 2 - Stupeň 2 3 - Stupeň 3 4 - Stupeň 4 5 - Stupeň 5

izolace přechodu je v pořádku nejnižší stupeň naléhavosti nízký stupeň naléhavosti vyšší stupeň naléhavosti vysoký stupeň naléhavosti nutná až akutní potřeba opravy

Obr. 5: Četnosti důležitosti jednotlivých AU Postup výpočtu celkové hodnoty technického stavu armaturního uzlu je obdobný jako při určování důležitosti a je zobrazen na Obr. 3. Vyhodnocovací algoritmus v prostředí Excel je názorně uveden na Obr. 4. Z výsledků vyhodnocení důležitosti a technického stavu armaturních uzlů je vypočtena priorita do údržby a následně pořadí do údržby.

4 APLIKACE RCM NA AU A JEJÍ VÝSLEDKY Aby byl získán přehled o důležitosti jednotlivých AU, byla provedena analýza četnosti důležitosti (viz Obr. 5). Důležitost většiny AU se pohybuje kolem 25-30 %. V této kategorii se jedná především o trasové uzávěry. Vyšší důležitost náleží odbočkám, rozdělovacím uzlům a VVO KS. Z analýzy četnosti vyplývá, že většina AU má malou důležitost. Koresponduje to s tabulkou 1, kde většina z AU jsou trasové uzávěry, které mají ze své podstaty menší důležitost.

5 SROVNÁNÍ VARIANT V tabulce 4 je srovnání jednotlivých výpočetních variant – původního pořadí do údržby, pořadí pro provedené údržbě a pořadí po výměně nejhorších armatur. Z tabulky je patrné, že u uzlů KS Břeclav, RU02 Rozvadov a TU36 J Bylany nepomohla ani výměna nejhorších armatur k tomu, aby tyto uzly opustily první desítku pořadí do údržby. Je to dáno nastavením vah, zejména koeficientu KtechStav, který zohledňuje důležitost před technickým stavem. Pokud srovnáme průměrné výsledné pořadí deseti zkoumaných AU u jednotlivých variant, tak po provedení údržby mají všechny zkoumané uzly průměrně o necelé 3 místa vyšší umístění v pořadníku do údržby (mají o necelé 3 místa nižší prioritu). U varianty s výměnou KK se uzly posunuly dokonce o 11 míst níže v tabulce priorit. Ze srovnání variant jasně vyplývá, že pro zlepšení technického stavu je mnohem prospěšnější výměna komponent s nejhorším technickým stavem. Náklady na výměnu (cca 100 mil. Kč) jsou ale mnohem větší, než náklady na údržbu/opravy (cca 2,5 mil. Kč). Výše popsané hodnocení přímo ukazuje na vlastnosti, které je potřeba řešit, aby metodika RCM byla plně funkční a v praxi lépe aplikovatelná. Jsou to (v pořadí od nejdůležitějších): - doplnění chybějících hodnot technického stavu - správné nastavení vah kritérií technického stavu - nastavení KtechStav, který zohledňuje důležitost před technickým stavem - určení koeficientu, který určí, o kolik se zlepší technický stav po provedení údržby/opravy - detailnější a přesnější určení nákladů na opravy jak KK, tak přechodů země-vzduch - přidání dalších hodnot popisujících technický stav - nastavení vah důležitosti

KS RU TU TU KS TU TU KS TU RU

7125A 7140A 7149A 7R012 7158A 7KS23 7234A 7100A 7225A 7KS25

1992 1992 1992 1990 1990 1982 1992 1982 1992 1975

TU TU TU RU TU KS TU TU TU KS

Výsledné pořadí po výměně

Typ

1982 1975 1975 1982 1982 1982 1975 1975 1982 1982

Výsledné pořadí po údržbě

Rok zprovoznění

7KS21 7R002 7S31A 7J36A 7KS22 7J35A 7S30A 7KS26 7J34A 7R010

Výsledné pořadí

4.2 Výměna KK Druhá výpočetní varianta předpokládá, že ve všech uzlech proběhne výměna všech KK, které vykazují nejhorší technický stav. Touto operací se u KK parametry technické diagnostiky vynulují. Náklady pro tuto výměnu jsou odhadnuty na cca 100 mil. Kč. Stav přechodů země-vzduch se nezmění.

KS Břeclav RU02 Rozvadov TU31AS Bylany TU36 J Mělnice KS Hostim TU35 J Hlohová TU30 S Počedělice KS Kouřim TU34 J Hráz RU10 Mutěnice Průměrné pořadí TU125 Blízkov TU140 Starý Kolín TU149 Jiřice RU12 Blučina TU158 Prušánky KS Veselí TU234 Kamýk TU100 Hodonín TU225 Diváky KS Kralice

Označení

4.1 Oprava a údržba komponent První výpočetní varianta – provedení údržby. Jelikož nemáme přesnou analýzu, na kolik údržba v uzlu zlepší technický stav AU, tak byl zaveden předpoklad, že jedna údržba zlepší všechny parametry technické diagnostiky o 50 % (sníží je). Dále předpokládáme zjednodušení, že jedna údržba TU, OD, a RU bude stát průměrnou částku 80 tisíc Kč. Jedna údržba stupně výstupního objektu kompresní stanice bude stát 600.000 Kč. Údržba sníží také na polovinu hodnotu charakterizující stav přechodů země-vzduch. Z vypočtených 10 AU s nevyšší prioritou do údržby jsou 3 vstupně-výstupní objekty KS a 7 objektů TU nebo RU. Celkové náklady na údržbu byly vyčísleny na 2,5 mil. Kč.

Tabulka 4: Srovnání jednotlivých výpočtových variant Název stanice

Jako aplikace systému RCM bylo zvoleny dvě varianty zlepšení technického stavu a pomocí algoritmu RCM byl porovnán jejich efekt.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5,5 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1

5

3

4

4

8

7

26

8

15

9

18

10

21

11

15

13

29

15

25

8,1

16,6

2

1

5

2

5

2

12

6

14

7

16

9

17

10

18

11

19

12

20

13

6 ZÁVĚR Vytvořená metodika RCM byla aplikována na všechny armaturní uzly plynové přepravní soustavy RWE Transgas Net, s.r.o. U 10 AU s největší prioritou údržby byla dále provedena aplikace údržby a výměny do stávajícího algoritmu. Bylo tím stanoveno nové optimální pořadí AU do údržby po provedené údržbě respektive výměně. Dále byla provedena ekonomická analýza, tedy stanovení finančních prostředků na příslušné údržbové kroky AU a výměnu komponentů AU. Lze konstatovat, že metodika RCM na AU je dokončena. Dále ale bude nutno doplňovat a zpřesňovat vstupní údaje, váhy kritérií a další koeficienty algoritmu. Ke konečnému vyhodnocení dopadu této strategie na AU může dojít až po naplnění zpětnovazebních modelů, tedy po několika letech aplikace do praxe. PODĚKOVÁNÍ

Příspěvek byl zpracován za podpory výzkumného projektu CEZ MSM6198910007.