吳志鋼, 陳 雯, 朱 軍, 魏振華, 王梓丞, 李新利
(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100095;2.山東核電有限公司,山東 煙臺 265100;3.華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院,北京 102206)
汽輪機自動保護系統(tǒng)是保證汽輪發(fā)電機組正常運行必不可少的安全保護裝置。目前關(guān)于汽機保護系統(tǒng)可靠性的研究主要集中在儀控系統(tǒng)[1,2]和系統(tǒng)工藝[3,4]上,而較少研究設(shè)備配電可靠性。某機組的跳機電磁閥電源配置參照《DL/T 5423-2009 核電廠常規(guī)島儀表與控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》和《DL/T 5455-2012火力發(fā)電廠熱工電源及氣源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》,為每個儀控盤柜設(shè)置了兩路電源,并通過電源切換裝置為盤柜內(nèi)下游負(fù)荷供電。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有儀控配電系統(tǒng)與跳機回路及工藝系統(tǒng)在相互配合上存在問題,如果電源切換時間過長,會導(dǎo)致跳機電磁閥誤動作。因此改進(jìn)跳機電磁閥配電系統(tǒng)對于提高跳機系統(tǒng)安全運行具有重要意義。
跳機電磁閥配電系統(tǒng)可靠性取決于電源、切換裝置、斷路器及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前電力系統(tǒng)中常用的可靠性研究方法主要有:故障樹、Markov過程、可靠性框圖、Monte Carlo模擬、最小路集法、變權(quán)系數(shù)、GO和GO-FLOW法等[5-10]。故障樹分析方法又分為靜態(tài)和動態(tài),動態(tài)故障樹通過引入動態(tài)邏輯門來解決失效的順序相關(guān)和時間相關(guān)問題。通常將動態(tài)故障樹模型轉(zhuǎn)化為馬爾科夫模型進(jìn)行求解。但在求解過程中,故障樹規(guī)模過大會發(fā)生狀態(tài)空間組合爆炸或者仿真時間過長的問題。蒙特卡洛模擬方法廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)可靠性評估,其對問題的維數(shù)不敏感,具有很強的適應(yīng)性[11]。本文首先概述某核電機組調(diào)機電磁閥配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分析現(xiàn)有配電方案存在的問題,在此基礎(chǔ)上提出配電系統(tǒng)改進(jìn)方案;然后基于動態(tài)故障樹聯(lián)合動態(tài)Bayes網(wǎng)絡(luò)對不同跳機電磁閥配電方案建立可靠性模型;最后采用序貫蒙特卡洛對跳機電磁閥配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析與對比,并驗證了所提方案的有效性。
跳機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[12],共包含4個跳機電磁閥(AST)。跳機電磁閥在機組正常運行時處于帶電關(guān)閉狀態(tài),阻斷危急遮斷油(AST油)與無壓回油通路,建立危急遮斷油壓。當(dāng)機組運行參數(shù)超限時,汽輪機緊急跳閘保護系統(tǒng)(ETS)發(fā)出跳機信號切斷電磁閥工作電源,電磁閥失電打開,AST油從無壓回油通路回到油箱,泄去各主汽門和調(diào)節(jié)汽門油動機油壓,機組停機。跳機電磁閥1和跳機電磁閥3并聯(lián)組成通道1,跳機電磁閥2和跳機電磁閥4并聯(lián)組成通道2,兩通道串聯(lián)組成跳機系統(tǒng)。可見,兩通道均有電磁閥開啟時跳機系統(tǒng)動作。此“兩或一與”的組合方式保證了跳機系統(tǒng)可靠性,可有效防止汽輪機誤跳機。
圖1 跳機電磁閥布置Fig.1 Layout of AST solenoid valve
原有跳機電磁閥配電系統(tǒng)如圖2所示[13],由斷路器、監(jiān)視繼電器和雙電源切換裝置等設(shè)備組成。
圖2 原有配電方案設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.2 Equipment structure of original power distribution scheme
考慮電磁閥的冗余關(guān)系,通道1和通道2分別由兩路電源供電。每路電源又分為主電源和備用電源,由切換裝置完成主備用電源切換。PA1、PA2、PB1、PB2為配電柜上供電系統(tǒng),系統(tǒng)PA1、PA2和系統(tǒng)PB1、PB2分別通過手動開關(guān)互為備用。
如果電磁閥配電系統(tǒng)發(fā)生故障,跳機電磁閥同樣會失電打開。此時即使機組沒有達(dá)到跳機條件,跳機系統(tǒng)會誤動作,造成遮斷油壓波動甚至機組誤停機。此外在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),由于電源切換裝置切換存在延遲[14],會造成下游跳機電磁閥誤動,一定程度上增加了汽輪機誤跳機風(fēng)險;并且由于電源切換時間過長[15],導(dǎo)致下游儀表的信號出現(xiàn)跳變和異常,造成設(shè)備誤動等問題,危及機組設(shè)備穩(wěn)定可靠運行。因此,有必要進(jìn)行跳機電磁閥配電方案的改進(jìn),并進(jìn)行可靠性分析,以確保核電汽輪機自動保護系統(tǒng)的安全可靠工作。
原有電源切換裝置存在問題如下:
(1)電源切換裝置雖然可以保證在主電源故障時快速切換至備用電源,但是“先離后接”的切換方式并不是“無縫”的,轉(zhuǎn)換過程中負(fù)載瞬間失電。
(2)電源切換裝置本身存在發(fā)生故障的可能性,如果該設(shè)備可靠性低于其它設(shè)備,則切換裝置存在反而會降低整個系統(tǒng)可靠度。
(3)跳機電磁閥的布置方式已將電磁閥失電造成的影響考慮在內(nèi)并做了冗余,系統(tǒng)可靠性處于較高水平。但其配電系統(tǒng)仍設(shè)計冗余切換,可能對系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行影響不大,甚至因為元器件的增加造成系統(tǒng)可靠性下降。
基于上述原因,本文改進(jìn)從取消電源切換裝置和改變供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行,提出了兩種配電改進(jìn)方式。圖3為改進(jìn)方案A,其取消了電源切換裝置和備用電源,僅采用一路電源給電磁閥1和電磁閥3供電,另一路電源給電磁閥2和電磁閥4供電,且兩路電源互相獨立。圖4為改進(jìn)方案B,其同樣取消了電源切換裝置但保留了備用電源,同時改變了電磁閥供電方式,四個電磁閥通過四路電源分別供電,且四路電源互相獨立。
圖3 方案A配電設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Distribution equipment structure of scheme A
圖4 方案B配電設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Distribution equipment structure of scheme B
可靠性分析可為配電系統(tǒng)設(shè)計者及運行管理者提供配電系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù),并檢驗設(shè)計的合理性,這對核電機組或其他安全等級要求高的系統(tǒng)具有重要意義。因此針對所提出的配電改進(jìn)方案進(jìn)行可靠性研究。
傳統(tǒng)故障樹分析僅利用靜態(tài)邏輯或靜態(tài)故障機制,難以準(zhǔn)確描述系統(tǒng)各單元活動和動態(tài)關(guān)系[16]。動態(tài)故障樹分析方法在傳統(tǒng)故障樹中引入動態(tài)事件門概念[17],而電磁閥配電系統(tǒng)具有冗余結(jié)構(gòu)和隨機時序故障,故本文采用動態(tài)故障樹分析方法分別建立原配電系統(tǒng)及二種改進(jìn)方案的可靠性模型。每種方案中四個電磁閥供電線路上設(shè)備相同,因此跳機電磁閥失電誤動的原因相同,每個電磁閥誤動的故障子樹也相同。通過建立一個電磁閥的誤動故障子樹,便可得到跳機系統(tǒng)誤動的故障子樹,如圖5和圖6所示。
圖5 原有配電方案故障子樹Fig.5 Fault subtree of original distribution scheme
圖6 配電方案A和配電方案B故障子樹Fig.6 Fault subtree of distribution scheme A and B
圖5為跳機電磁閥原有配電方案的動態(tài)故障樹模型。以單個電磁閥誤動為頂事件,事件發(fā)生的直接原因為二極微型斷路器誤動(MCB)、柜內(nèi)母線故障(Bus)、柜內(nèi)電源故障,采用或門連接。柜內(nèi)電源故障又分為主(MPF)、備電源(SPF)故障或主電源、切換裝置(ATS)故障兩種情況。主電源故障原因分為上游PA、PB(AF,BF)系統(tǒng)故障和斷路器故障(CB)主、備電源采用備件門(SPARE)連接;若主電源先于切換裝置故障,可以正常切換至備用電源,只有切換裝置先于主電源故障,才會導(dǎo)致柜內(nèi)電源故障,故采用優(yōu)先與門表示該邏輯。
跳機電磁閥配電改進(jìn)方案A和B雖不同,但都可利用圖6進(jìn)行分析。PA、PB兩系統(tǒng)通過手動開關(guān)進(jìn)行切換,在切換過程中,故障路電磁閥持續(xù)處于失電狀態(tài)。方案A中兩個電磁閥由一路供電,在上述切換過程中兩電磁閥均處于失電狀態(tài)。而方案A方案B每個電磁閥都由一路獨立電源供電,在上述切換過程中只有一個電磁閥處于失電狀態(tài)。
方案A中配電柜內(nèi)供電線路上一個斷路器同時控制一組電磁閥(電磁閥1、3,電磁閥2、4)。斷路器的誤動會影響一組電磁閥正常工作,因此每組電磁閥誤動事件間不是獨立互斥的關(guān)系。方案B中每個跳機電磁閥均由一路電源供電,四個電磁閥誤動則是獨立互斥的,這種區(qū)別體現(xiàn)在故障樹定量分析時計算失效率的方式不同。因此,配電改進(jìn)方案A和方案B的可靠性計算結(jié)果也不相同。
評估系統(tǒng)的可靠性常使用系統(tǒng)累計失效概率和系統(tǒng)可用率等指標(biāo)。累計失效概率PCF(t)也稱為可靠度,指系統(tǒng)在規(guī)定的條件和時間內(nèi)喪失完成規(guī)定功能的概率[18],即
PCF(t)=p(T≤t)
(1)
考慮到系統(tǒng)可修復(fù)性,可用率指標(biāo)也可表示系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用率As,指系統(tǒng)經(jīng)長期運行后,處于正常狀態(tài)占總運行時間的比例[18],即
(2)
式中:MUT為系統(tǒng)平均可用時間,MDT為系統(tǒng)平均故障時間。
為了更好描述電磁閥動作情況,定義至少有一個電磁閥動作但系統(tǒng)無誤動作時系統(tǒng)狀態(tài)為降級狀態(tài)。此時跳機系統(tǒng)雖然沒有發(fā)生誤動,但系統(tǒng)的可靠性降低,系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)生故障的可能性遠(yuǎn)高于正常運行狀態(tài),應(yīng)盡量減少系統(tǒng)處于降級狀態(tài)的時間。
通常動態(tài)故障樹定量分析是將動態(tài)門轉(zhuǎn)化為馬爾可夫鏈,通過求解系統(tǒng)各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率,得到系統(tǒng)相應(yīng)可靠性指標(biāo)[19]。但馬爾可夫過程求解復(fù)雜,而蒙特卡洛模擬[20]通過計算機程序,對系統(tǒng)的故障概率、修復(fù)率等信息,采取模擬抽樣的方式,可計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。其中序貫蒙特卡洛法,可直接對動態(tài)故障樹模型進(jìn)行仿真,避免了馬爾可夫過程復(fù)雜的求解過程。因此本文采用序貫蒙特卡洛實現(xiàn)對跳機電磁閥配電系統(tǒng)動態(tài)故障樹仿真。
基于動態(tài)故障樹的序貫蒙特卡洛仿真步驟如下:
(1) 令仿真時間tsim=0,設(shè)置仿真最大時間tmax,初始化系統(tǒng)故障次數(shù)ndown=0、系統(tǒng)故障時間tdown=0、電磁閥誤動作次數(shù)n=[n1,n2,n3,n4]=[0,0,0,0];
(2) 設(shè)底事件數(shù)量為N,對應(yīng)故障率λi和修復(fù)率μi,i=1,2,…,N,故障分布為指數(shù)分布。仿真開始時,設(shè)所有設(shè)備均為正常狀態(tài),對各設(shè)備進(jìn)行抽樣:如果設(shè)備處于正常狀態(tài),根據(jù)式(3),計算所有部件失效時間tTTF,如果設(shè)備處于故障狀態(tài),由式(4)計算部件恢復(fù)時間tTTR。
(3)
(4)
(3) 根據(jù)各設(shè)備tTTF或tTTR,判斷電磁閥狀態(tài),記錄每個電磁閥誤動作次數(shù)ni,i=1,2,3,4和系統(tǒng)降級次數(shù)ndg,基于電磁閥“兩或一與”布置方式,進(jìn)一步確定系統(tǒng)狀態(tài);
(5) 若仿真時間tsim≤tmax,轉(zhuǎn)到步驟(3),否則,執(zhí)行步驟(6);
As=(tsim-tdown)/tsim
(5)
為了避免單次仿真隨機性造成結(jié)果偏差,按照上述步驟,經(jīng)過多次仿真,各可靠性指標(biāo)均收斂后,進(jìn)行最終統(tǒng)計分析。
為了分析設(shè)備失效率變化對系統(tǒng)失效率的影響,尤其是電源切換裝置對于跳機系統(tǒng)可靠性的影響,引入設(shè)備概率重要度[21],計算方式如下:
(6)
式中:Q(t)為系統(tǒng)的不可用度;g(·)為設(shè)備故障率。
動態(tài)Bayes網(wǎng)絡(luò)將時間離散化,關(guān)聯(lián)相鄰的時間片段,因其雙向推理能力和面對復(fù)雜問題時的良好表現(xiàn)引起人們廣泛關(guān)注。動態(tài)Bayes網(wǎng)絡(luò)模型的建立過程較為繁瑣,需要確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和條件概率表[22]。
由故障樹與Bayes網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)原理可知,故障樹事件與Bayes網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、故障樹邏輯門與Bayes網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)強度分別存在著對應(yīng)關(guān)系。因此,可以將已經(jīng)構(gòu)建完成的故障樹模型轉(zhuǎn)化為Bayes網(wǎng)絡(luò)模型,對可靠性模型進(jìn)行定量分析[23]。本文故障樹模型邏輯門主要用到與門、或門、熱備用門和優(yōu)先與門,其與Bayes網(wǎng)絡(luò)映射關(guān)系已十分成熟,不再贅述。
針對配電系統(tǒng)原有方案、改進(jìn)方案A和B進(jìn)行可靠性對比分析,其中設(shè)備故障率來自文獻(xiàn)[24]和現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù),表中PA、PB系統(tǒng)為跳機電磁閥配電柜上游供電系統(tǒng),在此將其簡化為故障率和修復(fù)率已知的系統(tǒng),如表1所示。
表1 設(shè)備故障率
本文蒙特卡羅定量分析采用python編程實現(xiàn),每次仿真過程中對系統(tǒng)故障次數(shù)和故障時長進(jìn)行累加。根據(jù)設(shè)置的仿真最大時間和仿真次數(shù),獲得平均故障次數(shù)和平均故障時長,進(jìn)而計算系統(tǒng)可用率。
假設(shè)各設(shè)備平均修復(fù)時間MTTR均為10小時,即修復(fù)率μ為0.1。從表1中可以看出,所選設(shè)備故障率為10-7級別,故障發(fā)生概率極低,因此為了在仿真模擬中獲得系統(tǒng)失效狀態(tài),設(shè)置仿真最大時間tmax=1×108h,仿真次數(shù)取100次。仿真結(jié)果如表2所示。
表2 配電系統(tǒng)可用率指標(biāo)
由表2可知,三種配電方案可用率都很高,均大于0.999 999 9。其中方案A平均可用率高于原有方案,可以提高配電系統(tǒng)可用率。而方案B中每個電磁閥單獨供電,增加了故障樹中或門數(shù)量,進(jìn)而增大了系統(tǒng)失效域,造成可靠性降低。在電磁閥平均誤動次數(shù)方面,方案A和方案B均低于原始方案,所提方案均可以有效降低電磁閥誤動作次數(shù),使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。方案A的系統(tǒng)平均降級次數(shù)為13.228次明顯低于原有方案的19.641次,降低降級次數(shù),可以減小系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)生故障的可能性。綜合而言,方案A為最優(yōu)方案。
為了進(jìn)一步分析跳機電磁閥配電系統(tǒng)中主要設(shè)備故障對可用率的影響,設(shè)修復(fù)率為0.1,計算概率重要度如表3所示,在原有方案中電源切換裝置的概率重要度僅為5.230×10-12,計算結(jié)果低于主電源斷路器誤動、微型斷路器誤動和柜內(nèi)母線故障。說明切換裝置失效故障對跳機系統(tǒng)可靠性影響很小,取消電源切換裝置不會對系統(tǒng)可靠性有較大影響。
表3 各設(shè)備概率重要度指標(biāo)
根據(jù)故障樹與Bayes網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系建立動態(tài)Bayes網(wǎng)絡(luò)模型,采用GeNIe軟件仿真計算出三種配電方案可靠度指標(biāo),系統(tǒng)中設(shè)備使用年限通常為20年,故將時間設(shè)置為20年,三種配電方案可靠度如圖7所示。由圖7可知,改進(jìn)方案A與原有方案的可靠度基本一致,其可靠度下降幅度隨使用年限均逐漸增加,最后一年下降幅度最大,為0.14%。改進(jìn)方案B可靠度略低于前兩種方案,分析原因是由于四路電源分別給電磁閥供電,缺少備用電源。
單一電磁閥的可靠度指標(biāo)如圖8所示,可以看出,兩種改進(jìn)方案的可靠度一致,原有方案可靠度略高于改進(jìn)方案。
圖8 單一電磁閥可靠度Fig.8 Reliability of single solenoid valve
綜上所述,與原有配電方案相比,盡管改進(jìn)方案A和方案B可靠度指標(biāo)下降,但是其下降幅度在允許范圍內(nèi),而且這兩種改進(jìn)方案可以提高系統(tǒng)可用率和穩(wěn)定性。
針對某機組汽輪機保護系統(tǒng)的雙電源切換裝置存在電磁閥誤動問題,提出了兩種配電改進(jìn)方案,并采用動態(tài)故障樹聯(lián)合動態(tài)Bayes網(wǎng)絡(luò)對不同跳機電磁閥配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性研究。結(jié)論如下:
(1)具有雙電源切換裝置的電磁閥配電方案盡管可靠度略高于兩種改進(jìn)配電方案,但電源切換裝置對系統(tǒng)可用率的影響很小,而且切換過程易造成電磁閥動作。
(2)本文所提出的兩種改進(jìn)配電方案,取消了電源切換裝置,在保證系統(tǒng)可用率較高的前提下,有效提高了供電穩(wěn)定性,避免切換裝置切換過程對跳機電磁閥和現(xiàn)場儀表的影響。研究成果對于工業(yè)重要系統(tǒng)電源設(shè)計具有重要參考意義。