可靠性管理在電力生產中的應用

丁 楊，房中海，谷新房，何國亮

（沾化發(fā)電廠，山東 沾化 256800）

0 引言

可靠性工程始于二次世界大戰(zhàn)，首先在軍用電子工業(yè)中形成，20世紀60年代，美、日、英、前蘇聯等國將可靠性工程引入電力行業(yè)，逐步應用于電力系統的規(guī)劃設計、電力系統調度、改進設備的可使用程度、安排檢修計劃、設備購買決策等。我國的電力可靠性管理中心成立于1985年，經過20多年的電力可靠性管理，使得我國電力工業(yè)的可靠性水平有了大幅度的提高。1986～2007年的22年間，我國100 MW容量等級以上火電機組的平均等效可用系數從79.93%提高到92.93%，增加了13%，每臺機組年均非計劃停運次數從7.85次/臺·年下降到1.02次/臺·年，平均下降6.83次/臺·年。

1 可靠性在發(fā)電企業(yè)生產管理中的必要性

可靠性管理是運用科學的數理統計方法來定量的反映設備的健康水平、運行狀況及設備制造、施工安裝等方面的工作質量。通過對可靠性數據庫資料的分析，找出設備故障分布規(guī)律，提前預測。做好預防措施，防止事故的發(fā)生，從而提高設備的可用率和生產能力。它著重研究設備或系統的故障原因、處理和預防措施，提高設備的可靠性，延長使用壽命、降低維護費用、提高設備的使用效益。

可靠性是衡量機組設備質量的重要技術經濟指標。隨著科學技術的不斷發(fā)展和大型火電機組裝機容量的增加以及自動化水平的提高，機組的可靠性問題已日益引起制造廠家和電力部門的重視。機組的特征是體積大、批量小、可修復、系統復雜、晝夜連續(xù)運行，設備損壞后將造成巨大的經濟損失且后果嚴重。因此，必須高度重視機組設備質量，加強可靠性工程技術研究，其發(fā)展過程也可以看作是其設備故障逐步被解決、設備性能逐步完善、可靠性逐步提高的過程。特別是在機組的性能參數日益提高、設備結構日趨復雜的情況下，探討和研究提高機組設備的可靠性將是一項非常重要的工作。目前，國內外機組設備招標中均有具體的可靠性指標的要求，可靠性已逐漸成為機組設備市場競爭的焦點和發(fā)電設備的重要依據之一。因此，探討和研究機組設備的可靠性及提高可靠性的對策，就顯得十分必要。

2 可靠性數據統計分析的常用模型

數據的統計分析是發(fā)電企業(yè)可靠性管理中研究的核心內容。由于設備的失效是隨機的，其壽命不是定值而是隨機變量，通過可靠性壽命試驗及使用情況，獲得產品的失效數據，用統計推斷的方法來判斷其屬于哪一種分布?？煽啃怨芾砉ぷ鬟^程中，常用的分布有二項分布、指數分布、正態(tài)分布、泊松分布、對數正態(tài)分布和威布爾分布等，下面主要介紹二項分布、指數分布和正態(tài)分布。

2.1 可靠性分析的二項分布

二項分布滿足以下基本假定：

1）試驗次數n是一定的；

2）每次試驗的結果只有兩種，成功或失敗，成功的概率為p，失敗的概率為q，p+q=1；

3）每次試驗的成功概率和失敗概率相同，即p和q是常數；

4）所有試驗是獨立的。

在n次試驗中，r次的成功的概率Pr為

有時寫為

若隨機變量X服從二項分布，那么期望值E（X）及方差Var（x）分別為：

式中：σ為標準差。

若有一個系統，含有n個相同的元件，至少有r個元件完好成為系統完好，那么系統完好的概率為

式中：p為一個元件完好的概率。稱r＜n的系統為冗余的系統。

如果一個系統有三個元件，每個元件有好和壞兩種狀態(tài)，若pi表示元件i完好的概率，qi表示元件失效的概率，那么可得到：

若元件是相同的，可以用二項式表示不同狀態(tài)：

二項分布是一種離散性分布，廣泛應用于可靠性和質量控制領域。在可靠性試驗和可靠性設計中，常用于相同單元平行工作的冗余系統的可靠性指標的計算；另外二項分布在可靠性抽樣檢查中也很有用，在一定意義下，確定n個抽樣樣本所允許的不合格產品數，就需要用二項分布來計算。但在實際工程中，真正完全重復的現象是不多見的，應當根據實際的問題的性質來決定是否可以應用此模型來處理，例如“有放回”抽取是重復試驗，而“無放回”抽取是不重復試驗，但當產品的批量很大而抽取的樣本量相對總數而言很小的時候，可以近似看作“有放回”抽樣處理。

2.2 可靠性分析的指數分布

指數分布廣泛應用于復雜系統的壽命分布，用T表示產品的壽命，t1，t2，…tn表示T的一組測量采集值，經統計可確定T的分布參數和分布類型，對于包含許多部件的系統可靠性指數分布表達式為

λ為故障率，表示單位時間里發(fā)生故障的次數。

在時段（0，T）中不發(fā)生及發(fā)生故障的概率分別為

接下來再研究在時段（T，T+t）的情況。

事件A表示在t時發(fā)生故障，事件B表示在時段（0，T）期間不發(fā)生故障。A∩B表示T以前完好，在（T，T+t）發(fā)生故障，即：

定義Fc（t）為T以前完好，在t時故障的概率，為后驗概率：

這表明，Fc（t）與運行過的時間T無關，它只與時間t有關，即無論元件運行多長時間，它們在下一段時間t發(fā)生故障的概率相同，同樣可以理解為元件的質量不因使用時間的延長而下降。

元件的先驗故障概率，即在（0，t）間故障的概率為：

對于指數分布，先驗與后驗概率是相等的

故障概率只與未來的時間有關，與歷史無關，即它是無記憶性的。

對于指數分布，數學期望值和方差分別為

2.3 可靠性分析的正態(tài)分布

在發(fā)電企業(yè)鍋爐設備中，鍋爐部件的加工尺寸、材料強度、產品性能均服從正態(tài)分布模型。以壽命的均值E（t）=μ和標準差σ（D（t）=σ2）為參數的正態(tài)分布的計算公式可表示為：

3 可靠性管理在狀態(tài)檢修中應用實例

據有關資料統計分析，在火力發(fā)電企業(yè)中，機組非計劃停運主要是由鍋爐引起，其中鍋爐四管泄漏為第一位，占強迫停運總時間的45%以上，對于超溫過熱所導致的爆管，通過內壁氧化皮厚度定量測量可以積極主動的預防，現就以鍋爐爆管為例闡述一下可靠性管理在狀態(tài)檢修中應用。

超溫過熱導致內壁氧化皮的存在和管壁減薄是過熱器爆管的必要條件，電站鍋爐管內壁氧化層的增長厚度與其在該段服役期內的當量金屬溫度有一定的對應關系，通過監(jiān)測管子內壁的氧化皮厚度和管壁厚度等相關參數計算出當量溫度，研究表明當量溫度可以作為超溫爆管的特征信號，從該特征信號中選取分界值T0作為故障征兆。對于12Crl-MoV鋼來說，T0=585℃。由于超溫爆管的原因是壁厚減薄與蠕變，可以歸結為應力—強度模型，該模型分布服從正態(tài)分布，故當量溫度T服從正態(tài)分布。參數估計確定T的均值T和標準差σA后，過熱器爆管概率F（T）為：

對某電站鍋爐的高溫過熱器管進行壽命評估，其材質為12CrlMoV，已運行73 000 h，其中10根壽命小于3萬h的管子依據內壁氧化皮厚度、金屬層壁厚、管徑周相應力估算的當量金屬溫度數據排序為594℃、589℃、593℃、592℃、596℃、597℃、587℃、597℃、596℃、595℃。

根據基于當量金屬溫度及運行應力的Larsonmiller公式、壁厚減壁薄率、氧化和腐蝕計算各管段的剩余壽命，以上的10根管子的剩余壽命從小到大為：15 235 h、15 924 h、16 581 h、17 084 h、18 774 h、19 429 h、21 238 h、27 871 h、28 529 h、28 935 h。 根據正態(tài)分布計算：

4 結論

目前已廠網分開，競價上網逐步實施，對于發(fā)電企業(yè)來說每一次非計劃停運損失不僅僅是在啟停過程消耗的燃料費和少發(fā)電量，電網企業(yè)往往還會對每一次的非計劃停運進行一定電量的考核，對發(fā)電企業(yè)來說提高其設備的可靠性同提高其運行的經濟性同為重要。可靠性管理工作貫穿電力生產管理全過程，其不再局限于可靠性專責的單線管理，各有關生產單位的領導和工作人員通過對該系統的應用，使可靠性管理工作與日常各專業(yè)管理密切結合，把可靠性管理同狀態(tài)檢修有機結合，達到共同參與可靠性管理，并貫穿電力生產管理全過程的目的，較好地體現了電力生產以可靠性為中心的理念，同時，發(fā)揮了可靠性管理指導并服務于生產的重要作用。