張建南

（國家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500）

隨著用電量增加，保證火力發(fā)電的技術(shù)可用性是發(fā)電系統(tǒng)最重要的需求。例如火力發(fā)電廠等復(fù)雜系統(tǒng)的可用性與部件的可靠性、檢修策略密切相關(guān)。該策略不僅影響了零部件的維修時(shí)間，還影響了零部件的可靠性、系統(tǒng)的退化和可用性。雖然可靠性至少可以在發(fā)電廠設(shè)計(jì)階段進(jìn)行估計(jì)，但其可用性會(huì)受修理時(shí)間不確定性的強(qiáng)烈影響[1-2]。這些不確定性源于許多因素，例如診斷故障原因的能力或是否有設(shè)備和熟練人員進(jìn)行修理程序。

1 風(fēng)險(xiǎn)分析法

風(fēng)險(xiǎn)分析是一種識(shí)別、表征、量化和評(píng)估事件損失的技術(shù)。風(fēng)險(xiǎn)分析方法整合了分析各階段的概率和后果分析，旨在評(píng)估設(shè)備故障發(fā)生的可能性及其對(duì)電廠運(yùn)行的影響，具有定量風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的輸出通常是一個(gè)數(shù)字，例如每單位時(shí)間的成本影響。該數(shù)據(jù)可用于對(duì)已進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一系列項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要大量數(shù)據(jù)來評(píng)估概率和后果[3-6]。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)量化

風(fēng)險(xiǎn)量化需著重分析設(shè)備故障概率估計(jì)。可靠性可定義為系統(tǒng)或組件在指定時(shí)間段內(nèi)，在設(shè)計(jì)的運(yùn)行或環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)作用的能力。該能力通常是用概率來衡量的。因此，可靠性是指公式（1）中規(guī)定的故障補(bǔ)充事件的發(fā)生概率。

式中：R（t）表示時(shí)間t的可靠性；F（t）表示時(shí)間t的失效概率。

表征可靠性的最常用參數(shù)可能是平均失效時(shí)間（MTTF），其只是故障時(shí)間的預(yù)期值或平均值，如公式（2）所示。

隨機(jī)失效（用指數(shù)概率函數(shù)表示）是描述可靠性現(xiàn)象最廣泛使用的模型。其定義是假設(shè)系統(tǒng)的故障率是獨(dú)立于其使用年限和運(yùn)行歷史之外的其他特征。在這種情況下，一旦指數(shù)分布參數(shù)（故障率）與MTTF 直接相關(guān)，就可以接受使用平均故障時(shí)間來描述可靠性。即使系統(tǒng)或其某些組件可能表現(xiàn)出適度的早期故障或老化影響，恒定故障率近似值也是足夠的。早期故障的嚴(yán)重程度受制造過程中質(zhì)量控制的嚴(yán)格限制，而通過仔細(xì)的預(yù)測性或預(yù)防性檢修可以限制老化影響。

通常用于模擬磨損或疲勞失效的雙參數(shù)韋伯分布如公式（3）所示。

式中：η表示韋伯分布特征壽命；β表示韋伯分布形狀參數(shù)。

分布參數(shù)使用參數(shù)估計(jì)方法來估計(jì)，該方法將分布與“故障時(shí)間”數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。有一些程序可以使用已知的最大似然估計(jì)方法從數(shù)據(jù)中估計(jì)韋伯分布參數(shù)。

如果以恒定的時(shí)間間隔T（表示預(yù)防性干預(yù)）對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行某些檢修操作，并且該時(shí)間間隔小于預(yù)期操作時(shí)間，則可以將檢修系統(tǒng)的可靠性定義為公式（4）。

式中：N=0，1，2，為給定運(yùn)行時(shí)間t內(nèi)的檢修干預(yù)次數(shù)。

該分析基于一個(gè)假設(shè)，即系統(tǒng)在檢修行動(dòng)后會(huì)恢復(fù)到“與新的一樣好”的狀態(tài)，代表在時(shí)間t＞T情況下維持的系統(tǒng)對(duì)t之前的時(shí)間沒有累積磨損效應(yīng)的記憶。因此，在區(qū)間NT≤t＜（N+1）T中，可靠性是系統(tǒng)在沒有故障的情況下運(yùn)行到NT的概率[R（T）]N與在NT“像新的一樣好”系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)沒有故障的概率R（t-NT）的乘積（t-NT）。

當(dāng)老化或磨損導(dǎo)致故障率與時(shí)間相關(guān)時(shí)，預(yù)防性檢修具有較好效果，對(duì)可靠性的影響如圖1 所示。

圖1 預(yù)防性維修對(duì)可靠性的影響

預(yù)測性檢修的使用對(duì)系統(tǒng)可靠性有類似影響，但檢修操作以可變的時(shí)間間隔執(zhí)行。檢修系統(tǒng)的可靠性如公式（5）所示。

具有預(yù)防性或預(yù)測性檢修的系統(tǒng)的平均故障時(shí)間如公式（6）所示。

考慮檢修操作會(huì)增加系統(tǒng)平均故障時(shí)間，系統(tǒng)的可用性也會(huì)增加，因此，檢修策略的選擇直接將影響系統(tǒng)的故障概率，從而影響其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)狀況。

1.2 成本分析

為了完成電廠設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)分析，設(shè)備故障的后果必須用貨幣價(jià)值表示。影響成本評(píng)估的因素較多，如發(fā)電廠的位置和配置、運(yùn)營模式和相關(guān)立法。此外，還必須評(píng)估檢修程序的成本。成本分析取決于數(shù)據(jù)庫的存在。該數(shù)據(jù)庫將成本和與發(fā)電廠設(shè)備相關(guān)聯(lián)的一些無法預(yù)期的故障事件聯(lián)系起來。在該文分析中，成本分為3 類，如圖2 所示。

圖2 檢修成本

總運(yùn)營成本為這些成本的總和，即發(fā)電成本=固定成本+可變成本+不可用成本。

運(yùn)行和檢修（O & M）固定成本與發(fā)電廠的運(yùn)行相關(guān)，與發(fā)電量無關(guān)。這些費(fèi)用包括發(fā)電廠操作員的工資、設(shè)備檢修費(fèi)用、保險(xiǎn)和稅收。

糾正性檢修成本通常包括人工成本、零件成本和與維修相關(guān)的停機(jī)時(shí)間。檢修成本如公式（7）所示。

備件成本包括原材料、內(nèi)部制造的零件、送修零件、新備件、耗材、小工具、測試設(shè)備和特殊設(shè)備租金的成本，備件和原材料的成本從工廠庫存簿中提取。

能源生產(chǎn)損失成本如公式（8）所示。

能源生產(chǎn)損失（MW·h）必須根據(jù)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。能源生產(chǎn)損失成本和檢修成本的組合體現(xiàn)了對(duì)總成本的影響。

2 應(yīng)用結(jié)果

2.1 風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果

電廠設(shè)備主泵的可靠性是根據(jù)電廠檢修控制系統(tǒng)中注冊的“故障時(shí)間”數(shù)據(jù)庫定義的。一旦使用概率分布函數(shù)來表達(dá)可靠性，就有必要將“失效時(shí)間”數(shù)據(jù)擬合到某個(gè)特定的分布中，以評(píng)估概率函數(shù)參數(shù)。該文使用最大似然估計(jì)方法來驗(yàn)證4 種分布的數(shù)據(jù)擬合優(yōu)度，即正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)、指數(shù)和韋伯分布。指數(shù)分布給出了最佳擬合，并用于主泵可靠性建模。使用這些數(shù)據(jù)和最大似然準(zhǔn)則計(jì)算主泵可靠性，并用指數(shù)分布表示，如公式（9）所示。

故障率參數(shù)等于5.8×10-5?？煽啃苑植既鐖D3 所示。圖3 中的點(diǎn)表示每個(gè)失效時(shí)間數(shù)據(jù)的可靠性估計(jì)的中值，按升序排列，用于驗(yàn)證可靠性分布與故障數(shù)據(jù)的一致性。

圖3 主泵設(shè)備可靠性分布

主泵每隔一個(gè)月進(jìn)行一次預(yù)防性檢查，風(fēng)險(xiǎn)分析將考慮1440h 連續(xù)運(yùn)行。檢測到退化時(shí)，對(duì)泵進(jìn)行維修。在分析中，泵在完成預(yù)防性任務(wù)后被認(rèn)為“像新的一樣好”。對(duì)于1440h，泵的可靠性等于0.92，因此故障概率等于0.08。在該文考慮的5 年運(yùn)行期內(nèi)，應(yīng)急泵沒有發(fā)生故障。盡管如此，它在待機(jī)模式下可能會(huì)失敗。由于缺乏應(yīng)急泵故障相關(guān)的信息，因此使用標(biāo)準(zhǔn)可靠性數(shù)據(jù)庫來估計(jì)泵故障概率，該概率接近0.08。

成本分析的貨幣流出如圖4 所示。付款A(yù)的貨幣價(jià)值的計(jì)算如公式（10）所示。

圖4 備用泵投資示意圖

該文中A的價(jià)值為1080 元。

在現(xiàn)金流分析中，與主泵故障相關(guān)的成本被認(rèn)為是在隨機(jī)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，并且沒有在1440h 或2 個(gè)月內(nèi)分布。

2.2 決策結(jié)果

該文分析運(yùn)用應(yīng)用較多的基本決策樹法。在第一次分析中，認(rèn)為應(yīng)急泵的可靠性等于1（不會(huì)按需出現(xiàn)故障），因此燃?xì)廨啓C(jī)將在不損壞軸承的情況下關(guān)閉。備用泵建模時(shí)，按需故障概率等于0.1。

基本決策選擇節(jié)點(diǎn)表示保留系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別為僅一個(gè)主泵或安裝備用油泵的選擇。主泵故障概率等于0.08，其可靠性等于0.92。

如果主泵的檢修策略無法將設(shè)備的性能恢復(fù)到初始狀態(tài)，則每次預(yù)防性檢修干預(yù)后，主泵的可靠性將會(huì)降低。在可靠性建模中，不完全檢修的影響需要考慮存在有限的概率p，即檢修行動(dòng)未達(dá)到預(yù)期滿意度，故障檢修會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)立即停機(jī)。鑒于這種影響，檢修程序后，設(shè)備的可靠性必須乘以每次執(zhí)行檢修時(shí)的檢修非故障概率（1-p）。對(duì)于預(yù)防性檢修的情況，可靠性表達(dá)式如公式（11）所示。

預(yù)防性維修不完善對(duì)可靠性的影響如圖5 所示。需要考慮更換磨損部件提高可靠性和檢修錯(cuò)誤導(dǎo)致退化間的權(quán)衡。

使用決策樹法對(duì)由檢修不完善導(dǎo)致的主泵故障概率進(jìn)行敏感性分析。分析結(jié)果如圖6 所示。由于主泵故障概率增加，與“保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)”選擇相關(guān)的波動(dòng)指標(biāo)（EMV）也大幅增加。與“安裝備用泵”選擇相關(guān)的EMV不會(huì)隨主泵故障概率增加而大幅增加，檢修不完善的影響提高了安裝備用泵的可能性。

圖6 不完善維修影響的決策敏感性分析

該文研究還可用于分析油管或儲(chǔ)油器檢修策略可能發(fā)生的變化，其故障也可能導(dǎo)致渦輪機(jī)軸頸軸承損壞。根據(jù)電廠檢修記錄，在5 年的運(yùn)行期間內(nèi)，這些設(shè)備沒有出現(xiàn)故障。根據(jù)這些信息可以得出結(jié)論，即這些設(shè)備的故障概率小于主油泵的故障概率。因此，與該設(shè)備相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)狀況和觀察到的主油泵的風(fēng)險(xiǎn)狀況不同，次于計(jì)算出的主油泵風(fēng)險(xiǎn)狀況。

3 結(jié)論

電廠設(shè)備檢修的目的是提高系統(tǒng)的可用性，同時(shí)考慮安全或環(huán)境問題，并優(yōu)化整個(gè)生命周期的成本。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)合了可靠性分析與安全、環(huán)境問題?；陲L(fēng)險(xiǎn)的檢修與系統(tǒng)無故障運(yùn)行密切相關(guān)?？梢钥隙ǖ卣f，基于風(fēng)險(xiǎn)分析的檢修計(jì)劃有望提供成本效益較高的檢修，從而最大限度地降低系統(tǒng)故障的影響，該影響與安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境有關(guān)。