葛秋原

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

核電作為一種安全、清潔的能源，應(yīng)用日益廣泛，但其安全運(yùn)行同樣受到世人關(guān)注[1]。而電機(jī)作為核電廠運(yùn)行的主要電氣和機(jī)械設(shè)備，在核電廠安全運(yùn)行中發(fā)揮著舉足輕重的作用。眾所周知，核電廠的安全運(yùn)行離不開設(shè)備的可靠運(yùn)行，也離不開設(shè)備維護(hù)的質(zhì)量[2-3]。

目前，核電電機(jī)的維護(hù)策略主要是預(yù)防性維修，其主要思想是通過內(nèi)外部經(jīng)驗(yàn)反饋和部件分析，找出所有可能的故障情況，并對(duì)同類故障進(jìn)行統(tǒng)一處理，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。由于預(yù)防性維修具有一定的盲目性，無法準(zhǔn)確了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及工況，僅僅根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)確定更換周期，即便隨著科學(xué)技術(shù)的革新和設(shè)備可靠性的增加，也很少有變更設(shè)備定期檢查周期的情況。

1 核電廠電機(jī)維護(hù)現(xiàn)有模式

國(guó)內(nèi)核電廠目前使用的維護(hù)模式為定期檢查與維護(hù)[5-7]，同時(shí)結(jié)合日常消缺工作，即對(duì)于所有電機(jī)，每一個(gè)換料周期進(jìn)行年檢(一般為外觀檢查、絕緣檢查、潤(rùn)滑檢查等)，同時(shí)每3個(gè)換料周期進(jìn)行解體檢查(一般需拆解電機(jī)，更換軸承等)。在此模式下，由于每年需要解體1/3的電機(jī)和定期維護(hù)所有電機(jī)，這樣產(chǎn)生的維護(hù)成本相當(dāng)高。由于電機(jī)的使用壽命較長(zhǎng)，如果使用狀態(tài)檢修的方法將大大降低成本。而狀態(tài)檢修的關(guān)鍵就是預(yù)測(cè)電機(jī)的狀態(tài)和工況，在每一個(gè)燃料周期末端進(jìn)行有計(jì)劃的糾正性維修。但是由于每一燃料周期內(nèi)電機(jī)磨損的數(shù)量及程度無法判斷，以至于無法采購(gòu)相對(duì)應(yīng)的備件以及安排相應(yīng)數(shù)量的檢修人員，大大增加了狀態(tài)檢修實(shí)施的難度。

因此，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，建立基于馬爾科夫鏈的電機(jī)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型[8-9]，由前一次大修電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分布來推算下一次大修電機(jī)狀態(tài)的分布，從而有效靈活地改變核電廠電機(jī)大修檢查維護(hù)的策略，并按照模型所預(yù)測(cè)的情況擬定新的檢修計(jì)劃，將核電廠電機(jī)大修從預(yù)防性維修的策略水平推向更精準(zhǔn)的狀態(tài)檢修。

2 馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型

根據(jù)相關(guān)研究，將電機(jī)設(shè)備的生命周期分為N個(gè)階段，每一個(gè)階段都會(huì)向其他階段發(fā)展，但是由于電機(jī)運(yùn)行是不斷損耗的，其總是向不好的狀態(tài)發(fā)展，但是在每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，階段不一定發(fā)生改變。假設(shè)電機(jī)有1～n個(gè)狀態(tài)，n表示狀態(tài)最好，n-1表示狀態(tài)其次，1表示狀態(tài)最差。令XT=a(a為1～n中的一個(gè)數(shù)值，表示T時(shí)刻電機(jī)X所處的狀態(tài))，根據(jù)馬爾科夫鏈原理，T+1時(shí)刻電機(jī)X的狀態(tài)僅與T時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)。

XT+1=PijXT

(1)

式中，Pij為轉(zhuǎn)移矩陣，表示在沒有進(jìn)行檢修的情況下X電機(jī)從i狀態(tài)(T時(shí)刻)向j狀態(tài)(T+1時(shí)刻)轉(zhuǎn)移的概率；Pij表示為P(XT+1=jXT=i)，如式(2)所示

(2)

由于從T時(shí)刻到T+1時(shí)刻的過程中并未進(jìn)行檢修維護(hù)，所以Pij中所有i

3 基于馬爾科夫鏈的電機(jī)狀態(tài)預(yù)測(cè)

3.1 模型建立

本例選用國(guó)內(nèi)某核電廠GEV系統(tǒng)風(fēng)冷電機(jī)作為樣本進(jìn)行研究。該廠共有162臺(tái)同型電機(jī)，按照每臺(tái)設(shè)備每一個(gè)換料周期會(huì)檢查一次狀態(tài)，并給出狀態(tài)評(píng)估分?jǐn)?shù)。電機(jī)的狀態(tài)分為4～5(嶄新的)、3～4(新的)、2～3(正常的)、1～2(需維護(hù)的)、0～1(需立即停機(jī)檢修的),見表1。

表1 電機(jī)狀態(tài)評(píng)估劃分表

對(duì)于GEV系統(tǒng)電機(jī)，每次狀態(tài)檢查時(shí)的轉(zhuǎn)移矩陣為

(3)

具體數(shù)值為

(4)

3.2 按照馬爾科夫鏈模型進(jìn)行預(yù)測(cè)

根據(jù)國(guó)內(nèi)某核電廠GEV系統(tǒng)T時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的電機(jī)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)(表2)，通過上述馬爾科夫鏈的預(yù)測(cè)方法，并使用Pij系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出T+1時(shí)刻的該系統(tǒng)電機(jī)的狀態(tài)分布(表3)。需要說明的是T時(shí)刻處于1狀態(tài)的電機(jī)，必須進(jìn)行更換維護(hù)，所以T時(shí)刻處于1狀態(tài)的電機(jī)在T+1時(shí)刻變將會(huì)變?yōu)?。

表2 T時(shí)刻的設(shè)備狀態(tài)分布

表3 T+1時(shí)刻的設(shè)備狀態(tài)分布(預(yù)測(cè))

3.3 生產(chǎn)實(shí)際取得的數(shù)值與模型所預(yù)測(cè)的數(shù)值對(duì)比

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，T+1時(shí)刻實(shí)際GEV系統(tǒng)電機(jī)的狀態(tài)分布見表4。

表4 T+1時(shí)刻的設(shè)備狀態(tài)分布(實(shí)際)

據(jù)此可以計(jì)算出預(yù)測(cè)的誤差。根據(jù)T+1時(shí)刻處于該狀態(tài)電機(jī)的預(yù)測(cè)數(shù)量和實(shí)際數(shù)量，可以得出處于i狀態(tài)的電機(jī)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，即

δi=(Si，p-Si，f)÷Si，p(i=1，2，3，4，5)(5)

式中，δi表示從T時(shí)刻變化到T+1時(shí)刻，i狀態(tài)下的電機(jī)數(shù)量的預(yù)測(cè)誤差；Si，p為T+1時(shí)刻i狀態(tài)下電機(jī)的實(shí)際數(shù)量；Si，f為T+1時(shí)刻i狀態(tài)下電機(jī)的預(yù)測(cè)數(shù)量。

在研究過程中，使用標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示。所以，預(yù)測(cè)誤差的均方根為

(6)

式中，δT表示本次預(yù)測(cè)的誤差值；N為狀態(tài)等級(jí)數(shù)(即將電機(jī)狀態(tài)劃分的份數(shù))，在本算例中取N=5。最終求得：δT=33.29%。進(jìn)一步，當(dāng)把電機(jī)狀態(tài)劃為10等份時(shí)，最終求得δT的值為21.68%。這說明，隨著狀態(tài)的劃分越來越細(xì)，預(yù)測(cè)的精度將會(huì)提高。

3.4 狀態(tài)檢修與預(yù)防性檢修的差別及優(yōu)勢(shì)

按照上述實(shí)例，GEV系統(tǒng)的電機(jī)共計(jì)162臺(tái)，若按照預(yù)防性檢修，每一個(gè)換料周期需對(duì)54臺(tái)電機(jī)進(jìn)行解體檢查并更換相應(yīng)部件，同時(shí)對(duì)其他108臺(tái)電機(jī)進(jìn)行定期檢查與維護(hù)；相比之下，按照上述馬爾科夫鏈模型預(yù)測(cè)的電機(jī)狀態(tài)，只需對(duì)處于狀態(tài)1和2的兩類狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，即：只需準(zhǔn)備19臺(tái)電機(jī)解體檢查和37臺(tái)電機(jī)定期檢查與維護(hù)的相對(duì)應(yīng)的備件、材料、人員儲(chǔ)備，從而大大減少了核電廠電機(jī)設(shè)備維護(hù)所帶來的成本消耗。

4 結(jié)語

本文通過馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)核電廠核級(jí)電機(jī)狀態(tài)的變化，利用建立的馬爾科夫鏈模型，根據(jù)初始同一類電機(jī)所處狀態(tài)的分布預(yù)測(cè)下一時(shí)刻電機(jī)狀態(tài)的分布，由于知道未來電機(jī)狀態(tài)的大致分布，使電機(jī)所在核電廠提前按計(jì)劃做好設(shè)備采購(gòu)、人員儲(chǔ)備等工作，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的備件采購(gòu)、良好的維修人員安排、合理的大修工期安排。這必將會(huì)改變呆板固化的預(yù)防性檢修模式，使之成為靈活多變的狀態(tài)檢修，同時(shí)降低核電廠的運(yùn)行成本，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性。