詹君萌 柏長青 金強剛

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司）

0 引言

為了提高水電站的性能和降低經(jīng)濟損失，引起發(fā)電廠停電的經(jīng)常性故障需要維修和預(yù)防性維護。使用維護和維修技術(shù)的正確組合，可以降低發(fā)電廠的維護成本和停機損失。在最壞的情況下，系統(tǒng)或設(shè)備的缺失會影響整個工廠，這可能導(dǎo)致工廠跳閘。然而，在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)或設(shè)備的故障可能不會對整個工廠產(chǎn)生重大影響。

在這種情況下，系統(tǒng)的可靠性會下降，其他系統(tǒng)的可靠性也會受到影響。為了將可靠性維持到一定水平，關(guān)鍵性水平?jīng)Q定了設(shè)備或系統(tǒng)的重要性以及最佳適用的維護和維修計劃［1-3］。

1 水電站性能研究

水電站運行可靠性分析是確保水電站高效運行和減少停機時間的關(guān)鍵工作。這種分析主要集中在以下幾個方面：

1）設(shè)備可靠性：水電站的機械設(shè)備，如渦輪機、發(fā)電機和變壓器，必須保持高度可靠，以確保穩(wěn)定的發(fā)電。通過對設(shè)備的定期檢查、維護和監(jiān)測，可以降低設(shè)備故障的風(fēng)險。2）電氣系統(tǒng)可靠性：電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于水電站的運行至關(guān)重要。分析電氣系統(tǒng)的可靠性，包括開關(guān)設(shè)備、控制系統(tǒng)和保護裝置，以確保它們可以在需要時快速響應(yīng)，防止電力中斷。3）水資源可靠性：水電站依賴水源來產(chǎn)生電力。因此，水資源的可靠性分析涉及對降雨、水庫水位和流量等方面的監(jiān)測，以確保水資源的可用性。4）系統(tǒng)維護和人員培訓(xùn)：定期維護和員工培訓(xùn)對于水電站的可靠性至關(guān)重要。保持設(shè)備和系統(tǒng)在最佳狀態(tài)，以及為員工提供必要的技能和知識，可以減少意外停機和提高可靠性。5）備用能力：水電站應(yīng)具備備用能力，以應(yīng)對突發(fā)情況和維護需求。備用設(shè)備和備用電力源的準備可以確保在需要時保持電力供應(yīng)。6）數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控：使用現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測水電站的運行狀況，快速識別潛在問題，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣眍A(yù)防故障。

水電站可靠性分析是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮機械、電氣、水資源和人員管理等各個方面。通過不斷改進和維護，可以最大程度地減少停機時間，提高水電站的可靠性，確保可持續(xù)的電力供應(yīng)。

1.1 可靠性

當(dāng)在預(yù)定條件下使用時，產(chǎn)品或機械部件在預(yù)定時間內(nèi)按預(yù)期工作的可能性稱為其可靠性。如果一個產(chǎn)品無論如何使用都始終表現(xiàn)良好，那么它就被認為是值得信賴的。因此，可靠性取決于時間，通常用R（t）表示。它是產(chǎn)品在時間t之前不會斷裂的可能性。在算法分析中，將故障率設(shè)置為α1=0.001，α2=0.002，α3=0.010，α4=0.004，α5=0.003，α6=0.002，并將所有修復(fù)率設(shè)置為零，以確定系統(tǒng)的可靠性。αi(i=1???6)分別表示，水庫故障率，水蒸氣故障率，渦輪機故障率，發(fā)電機故障率，廠房故障率，變壓器故障率?？梢允褂美绽狗匠虂慝@得可靠性表達式，可得

1.2 可利用性

組織的生產(chǎn)與系統(tǒng)可用性直接相關(guān)，一旦系統(tǒng)投入運行，就可以進行更多的生產(chǎn)。這是一種確定系統(tǒng)可靠性的方法，使用拉普拉斯逆變換，并設(shè)置α1=0.001，α2=0.002，α3=0.010，α4=0.004，α5=0.003，α6=0.002，ε1=1，ε2=1，ε3=1，ε4=1，ε5=1，ε6=1。εi(i=1???6)表示水庫故障修復(fù)率，水蒸汽故障修復(fù)率，渦輪機故障修復(fù)率，發(fā)電機故障修復(fù)率，廠房故障修復(fù)率，變壓器故障修復(fù)率。以確定系統(tǒng)在時間背景下的可用性，如下式：

1.3 平均故障間隔時間

平均無故障時間（MTTF）是水電站運行可靠性分析中的一個關(guān)鍵指標。它是指特定設(shè)備或系統(tǒng)在一段時間內(nèi)平均運行多長時間，而不發(fā)生故障或需要維修。MTTF的應(yīng)用在水電站可靠性分析中具有重要意義，具體表現(xiàn)如下：

1）預(yù)測設(shè)備壽命：通過分析設(shè)備的MTTF，水電站管理人員可以預(yù)測設(shè)備的壽命。這有助于制定設(shè)備更換或升級的計劃，以確保設(shè)備在達到其壽命終點之前不會出現(xiàn)嚴重故障。2）故障排查和改進：當(dāng)設(shè)備的MTTF低于預(yù)期時，水電站運營團隊可以進行故障排查，找出導(dǎo)致故障的原因。這可以幫助他們采取改進措施，減少故障的發(fā)生，提高設(shè)備可靠性。3）資源規(guī)劃：MTTF數(shù)據(jù)還有助于水電站規(guī)劃維護和備件庫存。如果設(shè)備的MTTF較低，可能需要更頻繁的維護和更多的備件，以確保連續(xù)的電力生產(chǎn)。4）運營成本控制：通過提高設(shè)備和系統(tǒng)的MTTF，水電站可以降低維護和維修成本。減少不必要的停機時間可以提高發(fā)電效率，降低運營成本。5）可靠性改進：水電站管理可以使用MTTF數(shù)據(jù)來設(shè)定可靠性目標，并跟蹤實際性能與目標之間的差距。這有助于不斷改進運營和維護實踐，提高水電站的可靠性。

MTTF在水電站運行可靠性分析中起到了關(guān)鍵作用，它為管理人員提供了關(guān)于設(shè)備和系統(tǒng)性能的重要信息，有助于提高水電站的運行效率、降低成本，以及確?？沙掷m(xù)的電力供應(yīng)。通過不斷監(jiān)測和改進MTTF，水電站可以更好地滿足電力需求并應(yīng)對不斷變化的環(huán)境因素。

系統(tǒng)發(fā)生初始故障之前的時間稱為平均故障時間，將所有修復(fù)率設(shè)置為零并使用極限s→0將允許在方程中找到MTTF的表達式。其中s表示單位時間的收入和服務(wù)成本，系統(tǒng)的MTTF顯式表達式如下

當(dāng)所有六個組件同時工作時，系統(tǒng)首次出現(xiàn)故障的時間如下所示，與故障率的差異有關(guān)。將方程中的故障率設(shè)置為0.001，0.002，0.010，0.004，0.003，0.002，然后將每個故障率從0.1逐漸更改為0.9。根據(jù)機組故障率的變化，系統(tǒng)的MTTF在圖1中更為明顯，這表明系統(tǒng)不會受到第三臺機組故障率增加的顯著影響。

圖1 水電站MTTF與故障率變化曲線

1.4 MTTF的靈敏度

MTTF靈敏度分析是水電站運行可靠性評估中的一項重要工作，該分析旨在確定系統(tǒng)可靠性對MTTF變化的敏感性，以便更好地理解系統(tǒng)在不同工作條件下的性能。

系統(tǒng)組成部分的影響，通過靈敏度分析，可以確定水電站不同組成部分對整個系統(tǒng)可靠性的貢獻程度。識別關(guān)鍵組件可以幫助管理人員集中精力和資源，加強對這些關(guān)鍵組件的監(jiān)測和維護。維護策略的制定：靈敏度分析還可以指導(dǎo)制定維護策略。對于影響系統(tǒng)可靠性最大的組件，可以實施更頻繁和有針對性的維護，以提高其MTTF。相反，對于相對不太關(guān)鍵的組件，可以采取更靈活的維護計劃。應(yīng)急準備和備件儲備：分析MTTF的靈敏度有助于確定哪些組件對系統(tǒng)的中斷產(chǎn)生最大影響。這可以指導(dǎo)備用設(shè)備和備件的儲備，以便在關(guān)鍵組件發(fā)生故障時能夠迅速替換，減少停機時間。系統(tǒng)改進和優(yōu)化：通過了解MTTF對系統(tǒng)性能的影響，水電站管理團隊可以推動系統(tǒng)改進和優(yōu)化。這可能包括技術(shù)升級、工藝改進或使用更可靠材料，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。

靈敏度分析是水電站運行可靠性評估中的一項關(guān)鍵工具。通過深入了解系統(tǒng)各組件對整體可靠性的貢獻和敏感性，水電站管理團隊可以更有針對性地制定維護計劃、優(yōu)化系統(tǒng)性能，并確保在各種條件下都能提供可靠的電力供應(yīng)。本文對MTTF的失效率變化進行了敏感性分析。將故障率設(shè)置為0.001、0.002、0.010、0.004、0.003、0.002，并根據(jù)α1，α2，α3，α4，α5，α6區(qū)分MTTF。每個故障率應(yīng)從0.1逐漸增加到0.9。仿真如圖2所示，MTTF對發(fā)電機組的故障率更敏感；一旦這個值發(fā)生微小變化，MTTF的靈敏度值就會急劇上升。

圖2 水電站MTTF靈敏度與故障率變化

2 水電站利潤評估

如果系統(tǒng)按預(yù)測運行，公司或生產(chǎn)廠商在任何給定時間可能估計的利潤，使用以下公式計算電站預(yù)計利潤。

當(dāng)S1=1時，上式可寫為

得到了積分后的表達式

上式中，EP(t)表示估計利潤，S1，S2表示單位時間的收入和服務(wù)成本，P1(t)表示系統(tǒng)處于該狀態(tài)時的概率。圖6中系統(tǒng)的預(yù)測利潤隨著系統(tǒng)服務(wù)成本的上升而下降，因此，管理系統(tǒng)的服務(wù)成本以產(chǎn)生更多利潤是至關(guān)重要的。

圖6 實際和預(yù)測日前電價

3 結(jié)束語

本文采用馬爾可夫模型對水電站的可靠性進行了評估，故障率和修復(fù)率被視為常數(shù)。通過上述討論，可以得出以下結(jié)論：發(fā)電機組的故障率是MTTF高度敏感的因素；只要這個數(shù)值稍微改變，MTTF的靈敏度值就會急劇增加，因此，水電站的工程師應(yīng)該更加重視系統(tǒng)的發(fā)電機組的維護，電站的運行主要受到該機組的影響。為了盡量減少系統(tǒng)干擾，該裝置應(yīng)使用可靠的設(shè)備，及時的預(yù)防性維護將提高系統(tǒng)的性能。本研究對水電站可靠性工程具有十分有益的意義。