李春梅,李冰,陳前明,胡迪,楊濤,張成,陳剛,楊嘉巍
(1.廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠,廣東 東莞 523936;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
近年來火電機(jī)組運(yùn)行方式表現(xiàn)出調(diào)峰頻繁、運(yùn)行周期長的趨勢(shì),由之引起設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加,設(shè)備出現(xiàn)故障隱患多、停機(jī)損失大、維修費(fèi)用高、維修周期長等特點(diǎn),這些對(duì)發(fā)電設(shè)備的可靠性提出了更為苛刻的要求[1-2]。同時(shí),為了最大限度地實(shí)現(xiàn)電廠的經(jīng)濟(jì)效益,要求進(jìn)一步合理安排發(fā)電設(shè)備維修周期與維修內(nèi)容,從而降低維修成本。因此,為達(dá)到提高可靠性與減少維修費(fèi)用的雙向需求,電力行業(yè)正在尋找更準(zhǔn)確和有效的發(fā)電設(shè)備維修策略[1-5]。
目前,在火力發(fā)電廠實(shí)際運(yùn)行中采取的維修策略均主要是以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃維修和事后維修兩種方式。計(jì)劃維修是定期對(duì)發(fā)電機(jī)組各個(gè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修,主要是根據(jù)過去的運(yùn)行數(shù)據(jù)和情況確定檢測(cè)周期,維修周期一般是1~2 a,但由于不同設(shè)備的故障率不同,可能造成某些設(shè)備過修或維修不足。事后維修是當(dāng)部件或設(shè)備出現(xiàn)故障后進(jìn)行維修,維修成本完全取決于在運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)備的故障次數(shù),該維修方式具有很大的隨機(jī)性[4]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者將狀態(tài)維修策略用于到發(fā)電設(shè)備的檢修中,以減少其運(yùn)營維修費(fèi)用,提高發(fā)電設(shè)備可靠性[6-10]。然而,火電機(jī)組作為一種由多設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng),針對(duì)單一設(shè)備的優(yōu)化維修研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,考慮設(shè)備之間維修相關(guān)性的機(jī)會(huì)維修策略成為研究重點(diǎn)。對(duì)于火電機(jī)組,重要設(shè)備的故障維修必然伴隨著巨大的停機(jī)損失,機(jī)會(huì)維修策略就是利用機(jī)組的停機(jī)時(shí)間,對(duì)機(jī)組其他滿足預(yù)設(shè)條件的設(shè)備進(jìn)行提前維修,從而達(dá)到節(jié)省維修成本的目的[11]。機(jī)會(huì)維修策略可以分析與每個(gè)維修任務(wù)相關(guān)的成本與收益,同時(shí)優(yōu)化連續(xù)維修任務(wù)之間的時(shí)間間隔,更適用于電力系統(tǒng)運(yùn)維。同時(shí),考慮系統(tǒng)多狀態(tài)時(shí),設(shè)備間的關(guān)聯(lián)更加復(fù)雜,如何在檢修決策中進(jìn)行統(tǒng)籌,是機(jī)會(huì)維修理論的研究熱點(diǎn)[12]。Qi等人[13]考慮定期維修和機(jī)會(huì)維修,研究了多組分系統(tǒng)的最優(yōu)維修策略;Zhu等人[14]研究了具有兩個(gè)獨(dú)立故障模式的多分量系統(tǒng)的機(jī)會(huì)維修建模;Zhang等人[15]建立了一種基于條件的多單元系統(tǒng)聯(lián)合機(jī)會(huì)預(yù)防性維修和備件供應(yīng)策略,對(duì)每個(gè)維修決策點(diǎn)分析可能的維修需求及其相應(yīng)的維修概率;Zeng等人[16]則提出一種基于動(dòng)態(tài)條件的多組件系統(tǒng)機(jī)會(huì)維修策略,在考慮經(jīng)濟(jì)和隨機(jī)依賴的同時(shí),實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)剩余使用壽命;徐波等人[17]融入設(shè)備隨機(jī)故障情景,建立基于機(jī)會(huì)維修的系統(tǒng)狀態(tài)檢修決策數(shù)學(xué)模型。上述研究多是將運(yùn)行時(shí)間作為維修閾值,維修決策的制訂僅在系統(tǒng)故障停機(jī)時(shí)進(jìn)行。此外,少有文獻(xiàn)考慮基于系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行生命周期的維修策略優(yōu)化,即使部分文獻(xiàn)考慮了全壽命,但未考慮設(shè)備間的多種相關(guān)性。部件之間的維修相關(guān)性一般歸納為3類:經(jīng)濟(jì)相關(guān)性、故障相關(guān)性和結(jié)構(gòu)相關(guān)性。經(jīng)濟(jì)相關(guān)性是指多個(gè)相關(guān)部件一起維修時(shí)比單獨(dú)維修的費(fèi)用更低;故障相關(guān)性是指整個(gè)系統(tǒng)不同部件間的故障相互作用、相互聯(lián)系;結(jié)構(gòu)相關(guān)性是指由于結(jié)構(gòu)的約束,對(duì)某一部件維修的同時(shí)必須對(duì)其他相關(guān)部件進(jìn)行維修。由于這些相關(guān)性的存在,在對(duì)系統(tǒng)中的某一部件做維修決策時(shí),就需要考慮它與其他部件之間的相互影響[18]。
因此,為了豐富維修措施的選擇并充分利用系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間,本文提出基于固定檢測(cè)周期的發(fā)電設(shè)備機(jī)會(huì)維修策略,考慮多種維修方式和維修組合在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行生命周期中對(duì)維修結(jié)果的影響,在維修計(jì)劃中引入一個(gè)固定的檢測(cè)周期,進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠性評(píng)估,以預(yù)測(cè)設(shè)備的惡化趨勢(shì),幫助維修人員做出維修決策。研究中不考慮故障相關(guān)性,只考慮維修資源以及部件結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián),當(dāng)對(duì)一個(gè)部件進(jìn)行維修時(shí),考慮對(duì)其他相關(guān)部件進(jìn)行維修的機(jī)會(huì),以節(jié)省時(shí)間、資源、人力等,從而節(jié)省維修成本。
本文的機(jī)會(huì)維修模型假設(shè)系統(tǒng)包含4個(gè)子設(shè)備,建立它們之間基于固定檢測(cè)周期的機(jī)會(huì)維修模型,并進(jìn)行以下假設(shè):
a)各設(shè)備的故障率相互獨(dú)立,且服從兩參數(shù)威布爾分布;
b)設(shè)備的維修方式包括事后維修、不完全維修、預(yù)防性更換維修和機(jī)會(huì)維修;
c)設(shè)備i的維修成本由事后維修成本Ci,f、不完全維修成本Ci,m、預(yù)防性更換維修成本Ci,p、和機(jī)會(huì)維修成本Ci,o組成;
d)與機(jī)組整體運(yùn)行時(shí)間相比,可忽略設(shè)備維修和狀態(tài)檢修時(shí)間。
設(shè)備的可靠性是指在特定的時(shí)間和環(huán)境下完成規(guī)定功能的能力,可用一系列從1到0變化的函數(shù)來描述,表征設(shè)備狀態(tài)從正常到故障的變化過程。對(duì)發(fā)電設(shè)備的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究表明,兩參數(shù)威布爾分布可以近似表達(dá)出其可靠度的變化過程。設(shè)備i的可靠度函數(shù)可以表示為
(1)
式中:αi為設(shè)備i尺度參數(shù),αi值影響威布爾函數(shù)曲線尺寸比例的大小;t為時(shí)間;βi為設(shè)備i形狀參數(shù),βi值影響曲線的形狀。
設(shè)備失效率表示產(chǎn)品劣化過程中喪失工作能力的概率,對(duì)于滿足兩參數(shù)威布爾分布的設(shè)備i而言,其失效率函數(shù)可表示為
(2)
機(jī)會(huì)維修策略利用系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間,對(duì)狀態(tài)不好但尚能運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行維修。在傳統(tǒng)的預(yù)防性維修的基礎(chǔ)上考慮設(shè)備維修之間的相關(guān)性,利用系統(tǒng)中某一設(shè)備發(fā)生隨機(jī)故障或達(dá)到預(yù)防維修閾值導(dǎo)致的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間,對(duì)系統(tǒng)中其余尚未故障的設(shè)備進(jìn)行一次維修,可以考慮將未發(fā)生故障的設(shè)備維修時(shí)間提前,從而在系統(tǒng)全壽命運(yùn)行周期內(nèi)降低巨大停機(jī)損失,以達(dá)到節(jié)約成本的目的?;诳煽慷萊的機(jī)會(huì)維修策略如圖1所示,其中Rp、Ro分別為預(yù)設(shè)預(yù)防性維修閾值和預(yù)設(shè)機(jī)會(huì)維修閾值,tp、to分別為預(yù)防性維修時(shí)刻和機(jī)會(huì)維修時(shí)刻。
圖1 機(jī)會(huì)維修策略Fig.1 Opportunistic maintenance strategy
基于設(shè)備可靠性理論,預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)各設(shè)備的預(yù)防性維修閾值和機(jī)會(huì)維修閾值,當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在0~to時(shí)間段,發(fā)生隨機(jī)故障時(shí),系統(tǒng)即停機(jī)進(jìn)行更換維修;當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在to~tp時(shí)間段,發(fā)生隨機(jī)故障即停機(jī)更換,或其他設(shè)備故障導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)時(shí)進(jìn)行機(jī)會(huì)維修;當(dāng)設(shè)備運(yùn)行至tp時(shí)刻,進(jìn)行預(yù)防性更換維修。
維修判斷過程流程如圖2所示。
圖2 維修判斷流程Fig.2 Maintenance judgment process
現(xiàn)有維修策略大多將設(shè)備預(yù)防性維修周期或隨機(jī)故障作為維修依據(jù),而不考慮設(shè)備的狀態(tài)信息或維修計(jì)劃。在實(shí)際火力發(fā)電廠的運(yùn)維計(jì)劃中,當(dāng)設(shè)備發(fā)生隨機(jī)故障時(shí),采取事后維修措施來及時(shí)更換設(shè)備;當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)維修閾值時(shí),采取預(yù)防性維修進(jìn)行預(yù)防性更換維修。本文在維修判斷過程中增加一個(gè)固定檢測(cè)周期(如圖2所示。)
在對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí),如果設(shè)備實(shí)時(shí)可靠性小于其維修閾值,則認(rèn)為設(shè)備的劣化程度已非常嚴(yán)重,將采取更換措施進(jìn)行維修,否則,進(jìn)行不完全維修以改善部件運(yùn)行狀況。已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)可靠性評(píng)估進(jìn)行了研究,以獲取組件的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,為維修計(jì)劃提供指導(dǎo)[6-12]。
在以下討論中假設(shè)事后維修、預(yù)防性維修和機(jī)會(huì)維修將設(shè)備恢復(fù)到全新狀態(tài),而不完全維修將設(shè)備恢復(fù)到故障之前的某一狀態(tài),但是具有更快的劣化速率。混合故障率模型能有效描述不完全維修對(duì)部件失效率的影響,模型表示為
hk+1(t)=bhk(t+aTk),
t∈[0,Tk+1],k=1,2,… .
(3)
式中:a為役齡遞減因子;b為故障率遞增因子;Tk為第k次維修周期的時(shí)間長度。
圖3所示為機(jī)會(huì)維修策略仿真流程。圖3中:tf、tp、ts、to分別為設(shè)備的故障維修時(shí)刻、預(yù)防性維修時(shí)刻、固定檢測(cè)周期和機(jī)會(huì)維修時(shí)刻;ti,f、ti,p、ti,s、ti,o分別為設(shè)備i的故障障維修時(shí)刻、預(yù)防性維修時(shí)刻、固定檢測(cè)周期和機(jī)會(huì)維修時(shí)刻(下標(biāo)j表示設(shè)備j);Ri、Ri,p、Ri,m、Ri,o分別為設(shè)備i的可靠度閾值、預(yù)防維修可靠度閾值、不完全維修可靠度閾值和機(jī)會(huì)維修可靠度閾值;fi,f、fi,p、fi,m、fi,o分別為設(shè)備i的故障維修頻次、預(yù)防性維修頻次、不完全維修頻次和機(jī)會(huì)維修頻次。仿真過程如下所述。
圖3 機(jī)會(huì)維修策略仿真流程Fig.3 Simulation process of opportunistic maintenance strategy
步驟1,初始化仿真并定義模型中所包含設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,包括:不同設(shè)備威布爾分布參數(shù)α和β、役齡遞減因子a和故障率遞增因子b、設(shè)備固定檢測(cè)周期ts、預(yù)防性維修閾值Rp、系統(tǒng)總的仿真時(shí)間Ttotal、系統(tǒng)停機(jī)維修時(shí)間Tk、每個(gè)設(shè)備維修頻次(事后維修、預(yù)防性維修和不完全維修,初始值為0)。
步驟2,重新生成每個(gè)設(shè)備的隨機(jī)故障維修時(shí)刻tf、預(yù)防性維修時(shí)刻tp以及固定檢測(cè)周期ts。對(duì)可靠性函數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣,得到隨機(jī)故障維修時(shí)刻;根據(jù)設(shè)備的可靠性函數(shù)和預(yù)設(shè)預(yù)防性維修閾值求解預(yù)防性維修時(shí)刻,根據(jù)維修計(jì)劃設(shè)定固定檢測(cè)周期。
步驟3,獲取系統(tǒng)的維修時(shí)刻tk和響應(yīng)的維修設(shè)備i。系統(tǒng)維修時(shí)刻為隨機(jī)故障維修時(shí)刻、預(yù)防性維修時(shí)刻和固定檢測(cè)周期的最小值。
步驟4,維修決策。當(dāng)系統(tǒng)中任何設(shè)備發(fā)生隨機(jī)性故障時(shí),必須進(jìn)行事后維修,并更新故障維修頻次ff;當(dāng)系統(tǒng)中任何設(shè)備可靠性達(dá)到預(yù)防性維修閾值時(shí),采取預(yù)防性維修,并更新預(yù)防性維修頻次fp;當(dāng)系統(tǒng)中某一設(shè)備到達(dá)了固定檢測(cè)周期時(shí),維修人員應(yīng)獲取設(shè)備的運(yùn)行信息,如果設(shè)備實(shí)時(shí)可靠性低于預(yù)設(shè)的預(yù)防性維修閾值時(shí),則認(rèn)為該設(shè)備狀態(tài)劣化比較嚴(yán)重,應(yīng)采取預(yù)防性更換維修,否則采取不完全維修來改善設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);最后,為系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備重新生成和更新隨機(jī)故障維修時(shí)刻、預(yù)防性維修時(shí)刻和固定檢測(cè)周期。
步驟5,機(jī)會(huì)維修策略。根據(jù)不同設(shè)備預(yù)設(shè)的機(jī)會(huì)維修可靠度閾值Ro,利用威布爾分布可靠度函數(shù)求解對(duì)應(yīng)的機(jī)會(huì)維修時(shí)刻to。當(dāng)系統(tǒng)中有設(shè)備進(jìn)行事后維修或預(yù)防性更換維修導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)時(shí),系統(tǒng)中可靠度低于機(jī)會(huì)維修閾值的設(shè)備借此機(jī)會(huì)進(jìn)行機(jī)會(huì)維修,并更新機(jī)會(huì)維修頻次fo和未進(jìn)行機(jī)會(huì)維修設(shè)備的故障維修時(shí)刻、預(yù)防性維修時(shí)刻、固定檢測(cè)周期和機(jī)會(huì)維修時(shí)刻。
步驟6,更新系統(tǒng)中各設(shè)備維修頻次和仿真運(yùn)行時(shí)間。
步驟7,如果系統(tǒng)仿真時(shí)間未達(dá)到運(yùn)行周期,則返回步驟2;否則輸出系統(tǒng)中各設(shè)備維修頻次。
將系統(tǒng)各設(shè)備項(xiàng)維修措施的維修頻次與相應(yīng)維修成本相乘后取和,用來表示設(shè)備在整個(gè)運(yùn)行周期的維修成本,具體表示為
(4)
式中Ci為設(shè)備i在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)總的維修成本。
火電機(jī)組系統(tǒng)龐大且復(fù)雜,本文為了展示基于固定監(jiān)測(cè)周期的發(fā)電設(shè)備機(jī)會(huì)維修策略的優(yōu)越性,假設(shè)系統(tǒng)包含4個(gè)子設(shè)備來簡(jiǎn)化表示整個(gè)機(jī)組系統(tǒng),系統(tǒng)各設(shè)備的初始仿真參數(shù)設(shè)定見表1。
表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters
每個(gè)設(shè)備的預(yù)防性維修可靠性閾值Rp和固定檢測(cè)周期ts總是按照維修計(jì)劃和運(yùn)行環(huán)境預(yù)先提供。為了簡(jiǎn)化仿真過程,除α和β外,其他參數(shù)對(duì)于不同設(shè)備均設(shè)置為相同;系統(tǒng)的運(yùn)行周期設(shè)為30 a,記錄下每次仿真過程的各設(shè)備各種維修方式的維修頻次;分析計(jì)算預(yù)設(shè)的總仿真次數(shù)為1 000次,每次仿真系統(tǒng)均產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù),可認(rèn)為這1 000次仿真相互獨(dú)立,仿真結(jié)果的均值能近似表示維修策略的仿真結(jié)果。
在傳統(tǒng)預(yù)防性維修基礎(chǔ)上設(shè)定固定檢修周期,在不考慮機(jī)會(huì)維修策略的情況下,研究設(shè)備不完全維修可靠度閾值Rm對(duì)各種維修方式頻次的影響,仿真結(jié)果如圖4—5所示。
本文以子設(shè)備1為例,在傳統(tǒng)的預(yù)防性維修策略下,事后維修平均次數(shù)為0.819次,預(yù)防性更換維修平均次數(shù)為7.446次,假設(shè)其維修成本滿足Ci,f∶Ci,p∶Ci,m=10∶5∶1,傳統(tǒng)預(yù)防性維修策略下的總維修成本為45.42單位成本。圖6為總維修成本隨不完全維修可靠度閾值的變化趨勢(shì)。
從圖4—5可以看出,隨著不完全維修可靠度閾值從0.91增加到0.99,故障維修頻次和不完全維修頻次逐漸下降,而預(yù)防性維修頻次則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì);這說明隨著不完全維修可靠度閾值的增加,維修行為傾向于設(shè)備更換,從而導(dǎo)致預(yù)防性維修頻次增加,事后維修頻次和不完全維修頻次降低?;诠潭z測(cè)周期的維修策略的故障維修頻次和預(yù)防維修頻次明顯低于傳統(tǒng)的維修策略。從仿真結(jié)果可知,固定檢測(cè)周期的引入有助于檢修獲取各部件的運(yùn)行狀態(tài)信息,以便積極采取改進(jìn)措施,降低隨機(jī)故障的發(fā)生。
圖4 事后維修頻次和預(yù)防性維修頻次分別與不完全維修閾值的關(guān)系Fig.4 Relation between corrective maintenance frequency and imperfect maintenance threshold,preventive maintenance frequency and imperfect maintenance threshold
圖5 不完全維修頻次與不完全維修閾值的關(guān)系Fig.5 Relation between imperfect maintenance frequency and imperfect maintenance threshold
圖6 總維修成本與不完全維修閾值的關(guān)系Fig.6 Relation between total maintenance cost and imperfect maintenance threshold
從圖6可以看出,仿真模型中子設(shè)備1在不完全維修閾值設(shè)定為0.97時(shí),總的維修成本最低為41.67單位成本,較傳統(tǒng)預(yù)防維修策略降低了8%的費(fèi)用。一般情況下,不同維修成本比對(duì)應(yīng)于不同的最優(yōu)不完全維修可靠度閾值,仿真模型參數(shù)可根據(jù)不同的維修實(shí)例進(jìn)行調(diào)整,從而為火電廠設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行維修提供指導(dǎo)意見。
一般來說,機(jī)會(huì)維修可靠度閾值Ro應(yīng)該大于預(yù)防性維修可靠度閾值Rp??紤]機(jī)會(huì)維修策略時(shí),為體現(xiàn)本文所提出的機(jī)會(huì)維修策略模型的優(yōu)勢(shì),將其與文獻(xiàn)[19]提出的機(jī)會(huì)性替代維修策略進(jìn)行比較。以子設(shè)備1為例,所設(shè)預(yù)防性維修可靠度閾值Rp為0.9,機(jī)會(huì)維修可靠度閾值Ro為0.91,不完全維修可靠度閾值Rm為0.95,系統(tǒng)運(yùn)行周期為30 a。表2列出了兩種策略以及僅考慮預(yù)防性維修和事后維修的傳統(tǒng)維修策略的仿真結(jié)果。
從表2可看出,與僅考慮機(jī)會(huì)維修策略相比,本文所提策略考慮了不同維修方式的組合,故障維修頻次和預(yù)防維修頻次更低,效果更好。
表2 仿真結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of simulation results
考慮不完全維修和多種維修方式相組合的機(jī)會(huì)維修策略在火電領(lǐng)域越來越受關(guān)注,現(xiàn)有文獻(xiàn)主要將運(yùn)行時(shí)間視為維修閾值,并且僅在系統(tǒng)停機(jī)時(shí)才做出維修決策。但是,系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行時(shí)間并不是線性關(guān)系,應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行維修決策。
本文提出一種基于固定檢測(cè)周期的發(fā)電設(shè)備組合機(jī)會(huì)維修策略,在維修策略中引入固定的檢測(cè)周期,進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠性評(píng)估,以此預(yù)測(cè)設(shè)備的惡化趨勢(shì)。結(jié)合具體算例,在考慮維修成本的同時(shí),研究了不同維修策略在整個(gè)運(yùn)行生命周期中對(duì)維修結(jié)果的影響,提出維修方式的最佳組合,可為火電站實(shí)際運(yùn)維管理和檢修決策提供更科學(xué)有效的指導(dǎo)。本文算例中的不同維修成本比對(duì)應(yīng)不同的不完全維修可靠性閾值,模型參數(shù)可以根據(jù)不同的維修實(shí)例進(jìn)行調(diào)整;后續(xù)研究可根據(jù)應(yīng)用效果,考慮不同仿真參數(shù)設(shè)定值對(duì)策略的影響,修正模型參數(shù),從而做出更準(zhǔn)確的運(yùn)行與維修決策。對(duì)于實(shí)際維修中存在的設(shè)備數(shù)量以及其他維修相關(guān)性等問題也有待考慮到模型中,開展更加深入的研究。