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(jì)60年代，美、日、英、前蘇聯(lián)等國將可靠性工程引入電力行業(yè)，逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)調(diào)度、改進(jìn)設(shè)備的可使用程度、安排檢修計(jì)劃、設(shè)備購買決策等。我國的電力可靠性管理中心成立于1985年，經(jīng)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(jí)以上火電機(jī)組的平均等效可用系數(shù)從79.93%提高到92.93%，增加了13%，每臺(tái)機(jī)組年均非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)從7.85次/臺(tái)·年下降到1.02次/臺(tái)·年，平均下降6.83次/臺(tái)·年。

1 可靠性在發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)管理中的必要性

可靠性管理是運(yùn)用科學(xué)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來定量的反映設(shè)備的健康水平、運(yùn)行狀況及設(shè)備制造、施工安裝等方面的工作質(zhì)量。通過對(duì)可靠性數(shù)據(jù)庫資料的分析，找出設(shè)備故障分布規(guī)律，提前預(yù)測(cè)。做好預(yù)防措施，防止事故的發(fā)生，從而提高設(shè)備的可用率和生產(chǎn)能力。它著重研究設(shè)備或系統(tǒng)的故障原因、處理和預(yù)防措施，提高設(shè)備的可靠性，延長使用壽命、降低維護(hù)費(fèi)用、提高設(shè)備的使用效益。

可靠性是衡量機(jī)組設(shè)備質(zhì)量的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和大型火電機(jī)組裝機(jī)容量的增加以及自動(dòng)化水平的提高，機(jī)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(jī)組的特征是體積大、批量小、可修復(fù)、系統(tǒng)復(fù)雜、晝夜連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備損壞后將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失且后果嚴(yán)重。因此，必須高度重視機(jī)組設(shè)備質(zhì)量，加強(qiáng)可靠性工程技術(shù)研究，其發(fā)展過程也可以看作是其設(shè)備故障逐步被解決、設(shè)備性能逐步完善、可靠性逐步提高的過程。特別是在機(jī)組的性能參數(shù)日益提高、設(shè)備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的情況下，探討和研究提高機(jī)組設(shè)備的可靠性將是一項(xiàng)非常重要的工作。目前，國內(nèi)外機(jī)組設(shè)備招標(biāo)中均有具體的可靠性指標(biāo)的要求，可靠性已逐漸成為機(jī)組設(shè)備市場(chǎng)競爭的焦點(diǎn)和發(fā)電設(shè)備的重要依據(jù)之一。因此，探討和研究機(jī)組設(shè)備的可靠性及提高可靠性的對(duì)策，就顯得十分必要。

2 可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的常用模型

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析是發(fā)電企業(yè)可靠性管理中研究的核心內(nèi)容。由于設(shè)備的失效是隨機(jī)的，其壽命不是定值而是隨機(jī)變量，通過可靠性壽命試驗(yàn)及使用情況，獲得產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計(jì)推斷的方法來判斷其屬于哪一種分布。可靠性管理工作過程中，常用的分布有二項(xiàng)分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布、泊松分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布等，下面主要介紹二項(xiàng)分布、指數(shù)分布和正態(tài)分布。

2.1 可靠性分析的二項(xiàng)分布

二項(xiàng)分布滿足以下基本假定：

1）試驗(yàn)次數(shù)n是一定的；

2）每次試驗(yàn)的結(jié)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(yàn)的成功概率和失敗概率相同，即p和q是常數(shù)；

4）所有試驗(yàn)是獨(dú)立的。

在n次試驗(yàn)中，r次的成功的概率Pr為

有時(shí)寫為

若隨機(jī)變量X服從二項(xiàng)分布，那么期望值E（X）及方差Var（x）分別為：

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

若有一個(gè)系統(tǒng)，含有n個(gè)相同的元件，至少有r個(gè)元件完好成為系統(tǒng)完好，那么系統(tǒng)完好的概率為

式中：p為一個(gè)元件完好的概率。稱r＜n的系統(tǒng)為冗余的系統(tǒng)。

如果一個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)元件，每個(gè)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(xiàng)式表示不同狀態(tài)：

二項(xiàng)分布是一種離散性分布，廣泛應(yīng)用于可靠性和質(zhì)量控制領(lǐng)域。在可靠性試驗(yàn)和可靠性設(shè)計(jì)中，常用于相同單元平行工作的冗余系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的計(jì)算；另外二項(xiàng)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(gè)抽樣樣本所允許的不合格產(chǎn)品數(shù)，就需要用二項(xiàng)分布來計(jì)算。但在實(shí)際工程中，真正完全重復(fù)的現(xiàn)象是不多見的，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的問題的性質(zhì)來決定是否可以應(yīng)用此模型來處理，例如“有放回”抽取是重復(fù)試驗(yàn)，而“無放回”抽取是不重復(fù)試驗(yàn)，但當(dāng)產(chǎn)品的批量很大而抽取的樣本量相對(duì)總數(shù)而言很小的時(shí)候，可以近似看作“有放回”抽樣處理。

2.2 可靠性分析的指數(shù)分布

指數(shù)分布廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的壽命分布，用T表示產(chǎn)品的壽命，t1，t2，…tn表示T的一組測(cè)量采集值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可確定T的分布參數(shù)和分布類型，對(duì)于包含許多部件的系統(tǒng)可靠性指數(shù)分布表達(dá)式為

λ為故障率，表示單位時(shí)間里發(fā)生故障的次數(shù)。

在時(shí)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(shí)段（T，T+t）的情況。

事件A表示在t時(shí)發(fā)生故障，事件B表示在時(shí)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(shí)故障的概率，為后驗(yàn)概率：

這表明，F(xiàn)c（t）與運(yùn)行過的時(shí)間T無關(guān)，它只與時(shí)間t有關(guān)，即無論元件運(yùn)行多長時(shí)間，它們?cè)谙乱欢螘r(shí)間t發(fā)生故障的概率相同，同樣可以理解為元件的質(zhì)量不因使用時(shí)間的延長而下降。

元件的先驗(yàn)故障概率，即在（0，t）間故障的概率為：

對(duì)于指數(shù)分布，先驗(yàn)與后驗(yàn)概率是相等的

故障概率只與未來的時(shí)間有關(guān)，與歷史無關(guān)，即它是無記憶性的。

對(duì)于指數(shù)分布，數(shù)學(xué)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(shè)備中，鍋爐部件的加工尺寸、材料強(qiáng)度、產(chǎn)品性能均服從正態(tài)分布模型。以壽命的均值E（t）=μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ（D（t）=σ2）為參數(shù)的正態(tài)分布的計(jì)算公式可表示為：

3 可靠性管理在狀態(tài)檢修中應(yīng)用實(shí)例

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析，在火力發(fā)電企業(yè)中，機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)主要是由鍋爐引起，其中鍋爐四管泄漏為第一位，占強(qiáng)迫停運(yùn)總時(shí)間的45%以上，對(duì)于超溫過熱所導(dǎo)致的爆管，通過內(nèi)壁氧化皮厚度定量測(cè)量可以積極主動(dòng)的預(yù)防，現(xiàn)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(yīng)用。

超溫過熱導(dǎo)致內(nèi)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(nèi)壁氧化層的增長厚度與其在該段服役期內(nèi)的當(dāng)量金屬溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過監(jiān)測(cè)管子內(nèi)壁的氧化皮厚度和管壁厚度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算出當(dāng)量溫度，研究表明當(dāng)量溫度可以作為超溫爆管的特征信號(hào)，從該特征信號(hào)中選取分界值T0作為故障征兆。對(duì)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(jié)為應(yīng)力—強(qiáng)度模型，該模型分布服從正態(tài)分布，故當(dāng)量溫度T服從正態(tài)分布。參數(shù)估計(jì)確定T的均值T和標(biāo)準(zhǔn)差σA后，過熱器爆管概率F（T）為：

對(duì)某電站鍋爐的高溫過熱器管進(jìn)行壽命評(píng)估，其材質(zhì)為12CrlMoV，已運(yùn)行73 000 h，其中10根壽命小于3萬h的管子依據(jù)內(nèi)壁氧化皮厚度、金屬層壁厚、管徑周相應(yīng)力估算的當(dāng)量金屬溫度數(shù)據(jù)排序?yàn)?94℃、589℃、593℃、592℃、596℃、597℃、587℃、597℃、596℃、595℃。

根據(jù)基于當(dāng)量金屬溫度及運(yùn)行應(yīng)力的Larsonmiller公式、壁厚減壁薄率、氧化和腐蝕計(jì)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(jù)正態(tài)分布計(jì)算：

4 結(jié)論

目前已廠網(wǎng)分開，競價(jià)上網(wǎng)逐步實(shí)施，對(duì)于發(fā)電企業(yè)來說每一次非計(jì)劃停運(yùn)損失不僅僅是在啟停過程消耗的燃料費(fèi)和少發(fā)電量，電網(wǎng)企業(yè)往往還會(huì)對(duì)每一次的非計(jì)劃停運(yùn)進(jìn)行一定電量的考核，對(duì)發(fā)電企業(yè)來說提高其設(shè)備的可靠性同提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性同為重要?？煽啃怨芾砉ぷ髫灤╇娏ιa(chǎn)管理全過程，其不再局限于可靠性專責(zé)的單線管理，各有關(guān)生產(chǎn)單位的領(lǐng)導(dǎo)和工作人員通過對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用，使可靠性管理工作與日常各專業(yè)管理密切結(jié)合，把可靠性管理同狀態(tài)檢修有機(jī)結(jié)合，達(dá)到共同參與可靠性管理，并貫穿電力生產(chǎn)管理全過程的目的，較好地體現(xiàn)了電力生產(chǎn)以可靠性為中心的理念，同時(shí)，發(fā)揮了可靠性管理指導(dǎo)并服務(wù)于生產(chǎn)的重要作用。