船舶核動(dòng)力裝置汽水分離再熱器可靠性建模與預(yù)計(jì)研究

焦文健，姚玉南，盧嘉偉，張 維，安 邦

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

在節(jié)能減排的大環(huán)境下，開(kāi)展民用核動(dòng)力船舶的研究是實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)零排放的一種有益嘗試。汽水分離再熱器(簡(jiǎn)稱MSR)是核動(dòng)力裝置二回路的關(guān)鍵設(shè)備，汽水分離再熱器的主要功能是在規(guī)定的工作參數(shù)下，安全可靠的將高壓缸排出的混合蒸汽進(jìn)行分離和再熱，使蒸汽達(dá)到低壓缸進(jìn)口參數(shù)要求，從而提高機(jī)組效率。本文中的汽水分離再熱器是新型立式結(jié)構(gòu)，并以相關(guān)成熟技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該立式汽水分離再熱器，由5個(gè)部件組成，分別是筒體、預(yù)分離組件、汽水分離組件、再熱器組件、封頭。高壓缸出來(lái)的主蒸汽從筒體一側(cè)進(jìn)入汽水分離再熱器殼體后，依次經(jīng)過(guò)預(yù)分離器、汽水分離器，分離出來(lái)的水分在重力的作用下通過(guò)水槽和疏水管排入分離器的疏水罐。經(jīng)過(guò)汽水分離作用后出來(lái)的蒸汽進(jìn)入再熱器組件進(jìn)行再熱，從MSR筒體的另一側(cè)流出，進(jìn)入低壓缸。

可靠性分析基礎(chǔ)工作是可靠性建模，可靠性模型也是對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析、可靠性設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是設(shè)備進(jìn)行“六性分析”的重要工作項(xiàng)目之一。本文根據(jù)GJB 813—1990標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的程序和要求，從汽水分離再熱器的結(jié)構(gòu)、功能和任務(wù)剖面的分析入手，建立了其可靠性模型以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析(FMECA)、故障樹(shù)分析(FTA)和可靠性預(yù)計(jì)及分配提供重要依據(jù)。

1 可靠性建模與預(yù)計(jì)流程

在設(shè)備研制階段的早期需要對(duì)其進(jìn)行可靠性建模和預(yù)計(jì)，定量分配、預(yù)計(jì)和評(píng)估設(shè)備的可靠性，并隨著研制工作的進(jìn)展與設(shè)計(jì)的更改，不斷細(xì)化和修正，反復(fù)迭代進(jìn)行。

汽水分離再熱器可靠性建模與預(yù)計(jì)的步驟如下：定義汽水分離再熱器，建立汽水分離再熱器物理模型，建立汽水分離再熱器數(shù)學(xué)模型，確定汽水分離再熱器各組件可靠性參數(shù)，最后計(jì)算汽水分離再熱器可靠性值，得出可靠性預(yù)計(jì)結(jié)論反饋設(shè)計(jì)，編寫汽水分離再熱器可靠性建模與預(yù)計(jì)報(bào)告[1-4]。如圖1所示。

圖1 可靠型建模與預(yù)計(jì)程序

根據(jù)現(xiàn)有的可靠性預(yù)計(jì)的方法，結(jié)合汽水分離再熱器(MSR)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際情況，制定汽水分離再熱器的可靠性預(yù)計(jì)流程，如圖2所示。

圖2 汽水分離再熱器可靠性預(yù)計(jì)流程圖

2 汽水分離再熱器結(jié)構(gòu)及功能分析

汽水分離再熱器的設(shè)計(jì)為立式結(jié)構(gòu)，整個(gè)汽水分離再熱器主要部件有5個(gè)部分，分別是筒體、預(yù)分離組件、汽水分離組件、再熱器組件、封頭(上封頭和下封頭)。筒體主要功能是為汽水分離形成一個(gè)密閉的空間，預(yù)分離器部件功能是對(duì)高速蒸汽混合物器一定的阻礙作用，使其沿預(yù)分離器周向流動(dòng)繞過(guò)預(yù)分離器，使蒸汽混合物可以更加均勻的進(jìn)入波形分離器。汽水分離器主要部件是波形分離器，濕蒸汽在分離器組件內(nèi)多次的改變流動(dòng)方向，蒸汽中的水滴在慣性和重力作用下，與蒸汽分離后沿著板壁流向底部，從底部排出。再熱器為立式結(jié)構(gòu)，加熱蒸汽從管內(nèi)由MSR頂部進(jìn)入，流過(guò)加熱器與換熱器后被凝結(jié)成水，由管內(nèi)壁流到管束集水區(qū)。分離器出來(lái)的濕蒸汽橫向沖刷再熱器傳熱管束，與管內(nèi)蒸汽進(jìn)行換熱過(guò)程后，變成過(guò)熱蒸汽，流出汽水分離再熱器。

因此,MSR的功能有如下2點(diǎn)。

1)汽水分離。 由汽輪機(jī)組的高壓缸輸入的混合蒸汽，經(jīng)過(guò)預(yù)分離組件和汽水分離組件進(jìn)行汽水分離，經(jīng)過(guò)這2個(gè)部件后，混合蒸汽除去98%的水分。

2)蒸汽干燥與過(guò)熱。經(jīng)過(guò)汽水分離組件后的混合蒸汽，進(jìn)入再熱器組件，濕蒸汽橫向沖刷再熱器傳熱管束，與管內(nèi)蒸汽進(jìn)行換熱過(guò)程后，變成過(guò)熱蒸汽。

MSR的功能框圖如圖3所示。

圖3 MSR功能框圖

MSR最佳熱力性能是受高、低壓缸的參數(shù)支配的，汽輪機(jī)及相關(guān)輔機(jī)應(yīng)與它一同進(jìn)行汽輪機(jī)系統(tǒng)熱平衡優(yōu)化，以獲得最佳的汽水分離再熱器參數(shù)[5]。

在汽水分離再熱的過(guò)程中，選取蒸汽濕度以及蒸汽的溫度兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映汽水分離再熱器工作的任務(wù)剖面，MSR任務(wù)剖面如圖4所示。α1、α2、α3為經(jīng)過(guò)各組件后的濕度；T1、T2、T3、T4、T5為經(jīng)過(guò)各組件后的溫度。

圖4 MSR任務(wù)剖面

任務(wù)剖面的描述主要選取的是高壓缸出來(lái)的主蒸汽經(jīng)歷的時(shí)序變化，即在經(jīng)過(guò)各個(gè)部件后，其濕度和溫度的變化情況。

3 汽水分離再熱器可靠性模型

3.1 可靠性物理模型

基本可靠性與規(guī)定的條件有關(guān)，即設(shè)備的工作環(huán)境條件、應(yīng)力條件、壽命周期等，也就是與“壽命周期”確定的條件。

決定設(shè)備基本可靠性的是設(shè)備在整個(gè)壽命周期內(nèi)發(fā)生的所有的需要維修或更換的故障，而不局限于發(fā)生在任務(wù)周期內(nèi)。因此物理模型采用全串聯(lián)模型。MSR的基本可靠性框圖如圖5所示。

圖5 MSR的基本可靠性框圖

根據(jù)上文對(duì)汽水分離再熱器的功能以及任務(wù)剖面的分析，確定汽水分離再熱器的任務(wù)可靠性模型為串聯(lián)模型。MSR的任務(wù)可靠性模型同圖5一樣。

3.2 可靠性數(shù)學(xué)模型

可靠性數(shù)學(xué)模型從數(shù)學(xué)上建立可靠性框圖與事件、事件和故障率數(shù)據(jù)的關(guān)系。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示設(shè)備各單元與系統(tǒng)之間的可靠性函數(shù)關(guān)系，以此來(lái)求解設(shè)備的可靠性值。

建立汽水分離再熱器的基本可靠性模型時(shí)，由于其可靠性框圖是各單元的串聯(lián)，因此，汽水分離再熱器的可靠性數(shù)學(xué)模型是按照串聯(lián)的邏輯關(guān)系，由各組件的可靠性參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)的可靠性值。

MSR的基本可靠性模型為：

(1)

式中：Rs(t)為MSR的可靠度；Ri(t)為第i個(gè)組件的可靠度。

(2)

(3)

式中：λs為汽水分離再熱器的故障率；λMi為汽水分離再熱器第i個(gè)部件的故障率；TBFs為汽水分離再熱器的平均故障間隔時(shí)間。

根據(jù)汽水分離再熱器的特點(diǎn)，選擇普通概率法進(jìn)行任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型的建立。

MSR的任務(wù)可靠性模型為：

(4)

式中：Rs(t)為MSR的可靠度；Ri(t)為各組件的可靠度。

(5)

(6)

式中：λs為汽水分離再熱器的故障率；λMi為汽水分離再熱器第i個(gè)部件的故障率；TBFs為汽水分離再熱器的平均故障間隔時(shí)間。

4 可靠性預(yù)計(jì)

4.1 參數(shù)獲取

對(duì)于汽水分離再熱器的再熱器單元，需要綜合考慮環(huán)境因子K、降額因子D，從而更真實(shí)的計(jì)算出再熱器組件的故障率。因此計(jì)算汽水分離再熱器的實(shí)際故障率公式為：

λ=λb·K·D，

(7)

式中：λ為工作故障率，10-6/h；λb為基本故障率，10-6/h；K為環(huán)境因子；D為降額因子。

目前可選取的可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)是美國(guó)可靠性分析中心的《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》，其中包括了電氣、機(jī)械、機(jī)電、液壓機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置故障率，引用到我國(guó)的可靠性預(yù)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行修正。汽水分離再熱器屬于核電設(shè)備，其可靠性數(shù)據(jù)可同時(shí)參考《中國(guó)核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告(2015版)》，由此獲得再熱器的基本故障率。環(huán)境因子的選取主要參考GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，降額因子的選取依靠工程經(jīng)驗(yàn)。

再熱器故障率計(jì)算過(guò)程如下：

λ=λb·K·D=10.08×10-7/h，

對(duì)于無(wú)法獲得基本故障率的部件，采用評(píng)分預(yù)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算。其通常考慮的因素有：復(fù)雜程度、技術(shù)水平、工作時(shí)間以及環(huán)境條件。評(píng)分的原則以故障率為預(yù)計(jì)參數(shù)說(shuō)明評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，各種因素分的分?jǐn)?shù)值可設(shè)置為1～10分，具體如圖6所示。

圖6 評(píng)分預(yù)計(jì)流程圖

計(jì)算模型如下：

已知某單元的故障率為λ*，則其他單元的故障率λi為：

λ*=λi·Ci，

(9)

式中：i=1，2，…，n，n為單元數(shù)；Ci為第i個(gè)單元的評(píng)分系數(shù)。

Ci=ωi/ω*，

(10)

式中：ωi為第i個(gè)部件單元評(píng)分?jǐn)?shù)：ω*為故障率為λ*的部件的評(píng)分?jǐn)?shù)。

(11)

式中：rij為第i個(gè)單元，第j個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù)；j=1為復(fù)雜度；j=2為技術(shù)水平；j=3為工作時(shí)間；j=4為環(huán)境條件。

汽水分離再熱器其他組件的故障率計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 MSR部件故障率評(píng)分預(yù)計(jì)結(jié)果

由故障率預(yù)計(jì)法獲取到再熱器組件的工作故障率，再由評(píng)分預(yù)計(jì)法獲得到其他組件的故障率，得出汽水分離再熱器5個(gè)組件的故障率，如表2。

表2 MSR基本信息和故障率

4.2 綜合預(yù)計(jì)

首先，根據(jù)基本可靠性模型計(jì)算汽水分離再熱器的故障率λs：

再由基本可靠性模型計(jì)算出汽水分離再熱器平均故障間隔時(shí)間MTBF:

假設(shè)汽水分離再熱器各組成部分壽命均服從指數(shù)分布，故根據(jù)其任務(wù)可靠性模型計(jì)算其可靠度：

RS(2 000)=e-λst=e-29.78×10-7×2 000=0.994 0。

汽水分離再熱器的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果為：MTBF為335 795.836 h，達(dá)到了該設(shè)備的基本可靠性規(guī)定值要求(MTBF=40 a)；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行到2 000 h時(shí)，設(shè)備的可靠度為0.994 0，也達(dá)到了設(shè)備任務(wù)可靠性規(guī)定值的要求(Rm(2 000)=0.9)。

其中薄弱環(huán)節(jié)存在于再熱器組件，其故障率占整個(gè)設(shè)備的故障率的33.8%，如果需要提高M(jìn)SR的可靠性，需考慮改變?cè)O(shè)計(jì)方案，選擇可靠性水平更高的組件或者改進(jìn)設(shè)計(jì)提高再熱器組件的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)本文介紹了船舶核動(dòng)力裝置立式穩(wěn)壓器的構(gòu)成和功能，通過(guò)任務(wù)剖面和環(huán)境剖面分析了核動(dòng)力設(shè)備汽水分離再熱器的功能要求；根據(jù)GJB 813—1990中可靠性建模的方法和步驟，并參考型號(hào)系統(tǒng)可靠性建模與預(yù)計(jì)應(yīng)用指南以及型號(hào)可靠性工程預(yù)計(jì)手冊(cè)，分別建立了其基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖，最后根據(jù)相應(yīng)框圖建立了其基本可靠性數(shù)學(xué)模型和任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型，為汽水分離再熱器詳細(xì)的可靠性分析工作奠定了基礎(chǔ)。

2)對(duì)汽水分離再熱器進(jìn)行樂(lè)可靠性預(yù)計(jì)，先通過(guò)《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》《中國(guó)核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告(2015版)》兩個(gè)文件查到汽水分離再熱器部分部件的故障率，采用故障率預(yù)計(jì)法選取相關(guān)系數(shù)進(jìn)行一定的修正；對(duì)于不能直獲取到故障率的部件，采取評(píng)分預(yù)計(jì)法得到其故障率，最后以部件的故障率為基礎(chǔ)，依據(jù)汽水分離再熱器的可靠性模型，對(duì)其進(jìn)行預(yù)計(jì)，計(jì)算得到設(shè)備的總故障率，可靠度等參數(shù)，依據(jù)參數(shù)對(duì)汽水分離再熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析并提出建議。

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