焦文健，姚玉南，盧嘉偉，張 維，安 邦

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

在節(jié)能減排的大環(huán)境下，開展民用核動力船舶的研究是實現(xiàn)航運業(yè)零排放的一種有益嘗試。汽水分離再熱器(簡稱MSR)是核動力裝置二回路的關(guān)鍵設(shè)備，汽水分離再熱器的主要功能是在規(guī)定的工作參數(shù)下，安全可靠的將高壓缸排出的混合蒸汽進行分離和再熱，使蒸汽達到低壓缸進口參數(shù)要求，從而提高機組效率。本文中的汽水分離再熱器是新型立式結(jié)構(gòu)，并以相關(guān)成熟技術(shù)為基礎(chǔ)進行設(shè)計。該立式汽水分離再熱器，由5個部件組成，分別是筒體、預分離組件、汽水分離組件、再熱器組件、封頭。高壓缸出來的主蒸汽從筒體一側(cè)進入汽水分離再熱器殼體后，依次經(jīng)過預分離器、汽水分離器，分離出來的水分在重力的作用下通過水槽和疏水管排入分離器的疏水罐。經(jīng)過汽水分離作用后出來的蒸汽進入再熱器組件進行再熱，從MSR筒體的另一側(cè)流出，進入低壓缸。

可靠性分析基礎(chǔ)工作是可靠性建模，可靠性模型也是對設(shè)備進行可靠性分析、可靠性設(shè)計的重要組成部分，也是設(shè)備進行“六性分析”的重要工作項目之一。本文根據(jù)GJB 813—1990標準規(guī)定的程序和要求，從汽水分離再熱器的結(jié)構(gòu)、功能和任務(wù)剖面的分析入手，建立了其可靠性模型以及相應(yīng)的數(shù)學模型，為進行故障模式、影響及危害性分析(FMECA)、故障樹分析(FTA)和可靠性預計及分配提供重要依據(jù)。

1 可靠性建模與預計流程

在設(shè)備研制階段的早期需要對其進行可靠性建模和預計，定量分配、預計和評估設(shè)備的可靠性，并隨著研制工作的進展與設(shè)計的更改，不斷細化和修正，反復迭代進行。

汽水分離再熱器可靠性建模與預計的步驟如下：定義汽水分離再熱器，建立汽水分離再熱器物理模型，建立汽水分離再熱器數(shù)學模型，確定汽水分離再熱器各組件可靠性參數(shù)，最后計算汽水分離再熱器可靠性值，得出可靠性預計結(jié)論反饋設(shè)計，編寫汽水分離再熱器可靠性建模與預計報告[1-4]。如圖1所示。

圖1 可靠型建模與預計程序

根據(jù)現(xiàn)有的可靠性預計的方法，結(jié)合汽水分離再熱器(MSR)在設(shè)計過程中的實際情況，制定汽水分離再熱器的可靠性預計流程，如圖2所示。

圖2 汽水分離再熱器可靠性預計流程圖

2 汽水分離再熱器結(jié)構(gòu)及功能分析

汽水分離再熱器的設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)，整個汽水分離再熱器主要部件有5個部分，分別是筒體、預分離組件、汽水分離組件、再熱器組件、封頭(上封頭和下封頭)。筒體主要功能是為汽水分離形成一個密閉的空間，預分離器部件功能是對高速蒸汽混合物器一定的阻礙作用，使其沿預分離器周向流動繞過預分離器，使蒸汽混合物可以更加均勻的進入波形分離器。汽水分離器主要部件是波形分離器，濕蒸汽在分離器組件內(nèi)多次的改變流動方向，蒸汽中的水滴在慣性和重力作用下，與蒸汽分離后沿著板壁流向底部，從底部排出。再熱器為立式結(jié)構(gòu)，加熱蒸汽從管內(nèi)由MSR頂部進入，流過加熱器與換熱器后被凝結(jié)成水，由管內(nèi)壁流到管束集水區(qū)。分離器出來的濕蒸汽橫向沖刷再熱器傳熱管束，與管內(nèi)蒸汽進行換熱過程后，變成過熱蒸汽，流出汽水分離再熱器。

因此,MSR的功能有如下2點。

1)汽水分離。 由汽輪機組的高壓缸輸入的混合蒸汽，經(jīng)過預分離組件和汽水分離組件進行汽水分離，經(jīng)過這2個部件后，混合蒸汽除去98%的水分。

2)蒸汽干燥與過熱。經(jīng)過汽水分離組件后的混合蒸汽，進入再熱器組件，濕蒸汽橫向沖刷再熱器傳熱管束，與管內(nèi)蒸汽進行換熱過程后，變成過熱蒸汽。

MSR的功能框圖如圖3所示。

圖3 MSR功能框圖

MSR最佳熱力性能是受高、低壓缸的參數(shù)支配的，汽輪機及相關(guān)輔機應(yīng)與它一同進行汽輪機系統(tǒng)熱平衡優(yōu)化，以獲得最佳的汽水分離再熱器參數(shù)[5]。

在汽水分離再熱的過程中，選取蒸汽濕度以及蒸汽的溫度兩個參數(shù)來反映汽水分離再熱器工作的任務(wù)剖面，MSR任務(wù)剖面如圖4所示。α1、α2、α3為經(jīng)過各組件后的濕度；T1、T2、T3、T4、T5為經(jīng)過各組件后的溫度。

圖4 MSR任務(wù)剖面

任務(wù)剖面的描述主要選取的是高壓缸出來的主蒸汽經(jīng)歷的時序變化，即在經(jīng)過各個部件后，其濕度和溫度的變化情況。

3 汽水分離再熱器可靠性模型

3.1 可靠性物理模型

基本可靠性與規(guī)定的條件有關(guān)，即設(shè)備的工作環(huán)境條件、應(yīng)力條件、壽命周期等，也就是與“壽命周期”確定的條件。

決定設(shè)備基本可靠性的是設(shè)備在整個壽命周期內(nèi)發(fā)生的所有的需要維修或更換的故障，而不局限于發(fā)生在任務(wù)周期內(nèi)。因此物理模型采用全串聯(lián)模型。MSR的基本可靠性框圖如圖5所示。

圖5 MSR的基本可靠性框圖

根據(jù)上文對汽水分離再熱器的功能以及任務(wù)剖面的分析，確定汽水分離再熱器的任務(wù)可靠性模型為串聯(lián)模型。MSR的任務(wù)可靠性模型同圖5一樣。

3.2 可靠性數(shù)學模型

可靠性數(shù)學模型從數(shù)學上建立可靠性框圖與事件、事件和故障率數(shù)據(jù)的關(guān)系。用數(shù)學表達式表示設(shè)備各單元與系統(tǒng)之間的可靠性函數(shù)關(guān)系，以此來求解設(shè)備的可靠性值。

建立汽水分離再熱器的基本可靠性模型時，由于其可靠性框圖是各單元的串聯(lián)，因此，汽水分離再熱器的可靠性數(shù)學模型是按照串聯(lián)的邏輯關(guān)系，由各組件的可靠性參數(shù)計算系統(tǒng)的可靠性值。

MSR的基本可靠性模型為：

(1)

式中：Rs(t)為MSR的可靠度；Ri(t)為第i個組件的可靠度。

(2)

(3)

式中：λs為汽水分離再熱器的故障率；λMi為汽水分離再熱器第i個部件的故障率；TBFs為汽水分離再熱器的平均故障間隔時間。

根據(jù)汽水分離再熱器的特點，選擇普通概率法進行任務(wù)可靠性數(shù)學模型的建立。

MSR的任務(wù)可靠性模型為：

(4)

式中：Rs(t)為MSR的可靠度；Ri(t)為各組件的可靠度。

(5)

(6)

式中：λs為汽水分離再熱器的故障率；λMi為汽水分離再熱器第i個部件的故障率；TBFs為汽水分離再熱器的平均故障間隔時間。

4 可靠性預計

4.1 參數(shù)獲取

對于汽水分離再熱器的再熱器單元，需要綜合考慮環(huán)境因子K、降額因子D，從而更真實的計算出再熱器組件的故障率。因此計算汽水分離再熱器的實際故障率公式為：

λ=λb·K·D，

(7)

式中：λ為工作故障率，10-6/h；λb為基本故障率，10-6/h；K為環(huán)境因子；D為降額因子。

目前可選取的可靠性數(shù)據(jù)手冊是美國可靠性分析中心的《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》，其中包括了電氣、機械、機電、液壓機旋轉(zhuǎn)裝置故障率，引用到我國的可靠性預計時需要進行修正。汽水分離再熱器屬于核電設(shè)備，其可靠性數(shù)據(jù)可同時參考《中國核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報告(2015版)》，由此獲得再熱器的基本故障率。環(huán)境因子的選取主要參考GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預計手冊》，降額因子的選取依靠工程經(jīng)驗。

再熱器故障率計算過程如下：

λ=λb·K·D=10.08×10-7/h，

對于無法獲得基本故障率的部件，采用評分預計法進行計算。其通?？紤]的因素有：復雜程度、技術(shù)水平、工作時間以及環(huán)境條件。評分的原則以故障率為預計參數(shù)說明評分標準，各種因素分的分數(shù)值可設(shè)置為1～10分，具體如圖6所示。

圖6 評分預計流程圖

計算模型如下：

已知某單元的故障率為λ*，則其他單元的故障率λi為：

λ*=λi·Ci，

(9)

式中：i=1，2，…，n，n為單元數(shù)；Ci為第i個單元的評分系數(shù)。

Ci=ωi/ω*，

(10)

式中：ωi為第i個部件單元評分數(shù)：ω*為故障率為λ*的部件的評分數(shù)。

(11)

式中：rij為第i個單元，第j個因素的評分數(shù)；j=1為復雜度；j=2為技術(shù)水平；j=3為工作時間；j=4為環(huán)境條件。

汽水分離再熱器其他組件的故障率計算結(jié)果，如表1所示。

表1 MSR部件故障率評分預計結(jié)果

由故障率預計法獲取到再熱器組件的工作故障率，再由評分預計法獲得到其他組件的故障率，得出汽水分離再熱器5個組件的故障率，如表2。

表2 MSR基本信息和故障率

4.2 綜合預計

首先，根據(jù)基本可靠性模型計算汽水分離再熱器的故障率λs：

再由基本可靠性模型計算出汽水分離再熱器平均故障間隔時間MTBF:

假設(shè)汽水分離再熱器各組成部分壽命均服從指數(shù)分布，故根據(jù)其任務(wù)可靠性模型計算其可靠度：

RS(2 000)=e-λst=e-29.78×10-7×2 000=0.994 0。

汽水分離再熱器的可靠性預計結(jié)果為：MTBF為335 795.836 h，達到了該設(shè)備的基本可靠性規(guī)定值要求(MTBF=40 a)；當設(shè)備運行到2 000 h時，設(shè)備的可靠度為0.994 0，也達到了設(shè)備任務(wù)可靠性規(guī)定值的要求(Rm(2 000)=0.9)。

其中薄弱環(huán)節(jié)存在于再熱器組件，其故障率占整個設(shè)備的故障率的33.8%，如果需要提高MSR的可靠性，需考慮改變設(shè)計方案，選擇可靠性水平更高的組件或者改進設(shè)計提高再熱器組件的可靠性。

5 結(jié)束語

1)本文介紹了船舶核動力裝置立式穩(wěn)壓器的構(gòu)成和功能，通過任務(wù)剖面和環(huán)境剖面分析了核動力設(shè)備汽水分離再熱器的功能要求；根據(jù)GJB 813—1990中可靠性建模的方法和步驟，并參考型號系統(tǒng)可靠性建模與預計應(yīng)用指南以及型號可靠性工程預計手冊，分別建立了其基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖，最后根據(jù)相應(yīng)框圖建立了其基本可靠性數(shù)學模型和任務(wù)可靠性數(shù)學模型，為汽水分離再熱器詳細的可靠性分析工作奠定了基礎(chǔ)。

2)對汽水分離再熱器進行樂可靠性預計，先通過《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》《中國核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報告(2015版)》兩個文件查到汽水分離再熱器部分部件的故障率，采用故障率預計法選取相關(guān)系數(shù)進行一定的修正；對于不能直獲取到故障率的部件，采取評分預計法得到其故障率，最后以部件的故障率為基礎(chǔ)，依據(jù)汽水分離再熱器的可靠性模型，對其進行預計，計算得到設(shè)備的總故障率，可靠度等參數(shù)，依據(jù)參數(shù)對汽水分離再熱器的設(shè)計進行分析并提出建議。

[1]龔慶祥. 型號可靠性工程手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2007.

[2]謝少鋒， 張增照， 聶國健. 可靠性設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2015.

[3] 康銳， 石榮德， 李瑞瑩. 型號可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范：第2冊[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2010.

[4]裝備可靠性工作通用要求：GJB 450A—2004[S].

[5]牛忠華. 核電機組汽水分離再熱器的研制[J]. 裝備機械，2013(3):44-48.