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火力发电厂重要辅机可靠性评价体系研究

作者:   发布时间:2018-05-07

一、项目概况

1.项目实施背景

目前国内普遍以主机为对象的定期维修的设备管理模式,但辅助设备的计划检修与主机的检修策略存在差异,每类辅助设备日常维护、运行监测参数、计划停运检修中需要重点关注点及薄弱环节有所不同。同时,鉴于不同辅助设备对机组不同层面的影响无法得到有效的反应和考虑,评价辅助设备可靠性与评价主机可靠性方法应有所不同,需要制定出一套适合发电辅助设备可靠性管理评价的方法。

通过评价发现辅助设备运行中存在的问题,运用量化评估的方法,评价设备的制造质量、安装质量、运行质量、检修质量及管理水平,分析和解决设备问题;利用历年积累的可靠性数据,指导设备选型;探索辅机可靠性与经济性的最佳结合点,实现机组总体的最佳经济效益。

2.项目实施目标

电力行业可靠性管理标准化委员会委托神华国华开展相关内容的研究,旨在《发电设备可靠性评价规程》总体框架下,针对现行发电主要辅助设备评价指标过于宽泛、对现场指导性不强的现状,研究目前我国发电辅助设备可靠性管理评价方面存在的问题和发展需求,提炼出影响辅助设备可靠性的关键技术参数和经济指标,形成一套科学、客观、系统的辅机可靠性评价方法,为发电辅助设备乃至机组的设备管理、运行方式优化等工作提供决策支持。

3.项目实施的技术路线、研究方法、主要研究内容、采用的关键技术及其达到的主要技术目标

项目研究主要分为以下四个阶段:

1)第一阶段 完成辅助设备分类,筛选研究对象

本研究中对于辅机系统的分类结合三种思路进行:(a)主要分级过程中按照其在生产过程中的功能模块,即系统级开始划分,按大类分解,以保证与发电行业多年来的习惯保持一致。(b)划分过程充分考虑到辅机自身价值的差异,对于带有核心辅机的系统,把其核心辅机看作为主要辅机,其它单元作为支持部件划入核心辅机中,如制粉系统中把一次风机和磨煤机单列、烟风系统中把送风机与引风机单列。对于没有重大核心辅机的系统,单独作为一个辅机或系统,如脱硫系统和脱硝系统。(c)在对生产的影响因素中,除了对于主生产流程的可靠性造成的影响外,还考虑到其自身运行性能及其对生产过程的质量(如经济和环保)的影响。

针对300MW级以上机组,把发电厂重要辅机进行分类,筛选出磨煤机、送风机、引风机、高加、给水泵、电除尘、脱硫、脱硝等14类辅助设备(系统)进行重点考察,做到以点带面,通过对主要辅机的强化管理达到全面提升辅机可靠性水平的提高。

 

2)第二阶段 建立辅机可靠性的状态划分标准

《发电设备可靠性评价规程》(DL/T 793-2012中规定了机组的状态共计20种,但辅助设备的状态运行、备用、计划停和非计划停运等6种状态(图1)辅助设备配置的台数或容量有一定裕量,当辅助设备发生轻微故障,虽性能下降但仍继续运行未造成对机组运行的影响时,现有设备状态划分无法对辅助设备可靠性进行准确的描述。将辅助设备运行状态划分为健康运行状态及非健康运行状态,其中非健康运行状态根据故障机理细化为出力不足型、磨擦卡涩型、堵塞泄漏型、性能不足型等四种,辅助设备可靠性状态扩展为10种。

 

出力下降型非健康运行状态

    磨煤机、风机、泵等辅助设备,如果发生主要工作部件磨损或汽蚀,设备出力会下降。用出力能否达到额定能力进行状态识别及判断。如磨煤机磨辊磨损出力下降、引风机叶轮磨损炉膛负压难以维持

    磨擦卡涩型非健康运行状态

    旋转部件或系统存在轻微故障,如某台给水泵振动值大于报警值小于跳闸值,轴承温度高于报警值小于跳闸值。大多出力仍可达到额定值,但高负荷下故障几率增加,通常需设备降负荷监视运行。设备旋转部件的运行参数是否偏离设计值进行状态识别及判断。如泵或风机轴承温度高、振动大、阀门卡涩等。

    堵塞泄漏型非健康运行状态

    对于空预器、凝汽器、暖风器等易堵塞部件,堵塞对于所在系统或伙伴设备影响较大。如空预器堵塞引起三大风机出力增加、凝汽器堵塞引起循环泵出力增加空预器自身密封不良泄漏,导致漏风率增加。设备堵塞或泄漏程度进行状态识别及判断,同时其影响相关辅助设备的性能变化来辅助断。如空预器堵塞后,空预器前后压差增大,同时对所在风烟系统影响较大:一次风压会增加,轻微堵塞会增大风机电耗,严重堵塞会造成风机喘振或失速等。可根据空预器前后差压是否偏离设计值作为是否堵塞的判据,同时以一次风机风压是否偏离设计值作为辅助判据。

    性能下降型非健康运行状态

    辅助设备无显性故障,但经济运行性能下降。表现为自身输入能量的增加或输入输出能量比值出现变化,如磨煤机或风机性能不足引起电流增加,汽泵性能不足引起用汽量增加、脱硫脱硝系统性能不足导致入口烟气污染物浓度不变情况下浆液和喷氨量增加等。辅助设备经济运行性能与运行条件息息相关,特别是随负荷变化明显,因而性能是否下降需动态识别,是辅助设备状态识别中难度最大的一种,其关键在于特性参数的提取和参数变化范围的确定。性能下降原因是工作核部件有劣化趋势,如最初的磨损导致性能出现了偏差,与出力下降型状态相似,但区别是不影响自身出力。若性能下降原因是辅助部件出现劣化趋势,如泵的滤网脏导致性能下降,或是叶轮顶部间隙发生变化引起性能下降,与堵塞泄漏型状态相似,但区别是只影响设备自身,而不影响其它伙伴设备。

    辅助设备故障但仍监督运行的状态在生产现场并不少见,属设备异常,是日常设备消缺的主要内容。应对辅助设备的每一次故障模式进行分析,对其异常状态进行监测,杜绝后果扩大,对机组运行造成不良影响。增加了辅助设备故障但仍可运行的状态描述有别于辅助设备无故障运行状态,表征辅助设备有一定磨损、轻微故障或其它条件下带不满出力、或性能有所下降等情况。该状态的增加,可以更加精准地描述辅助设备的运行状态,为评价辅助设备可靠性及确定辅助设备检修策略提供依据。

     非健康运行状态确定后,定义相应的指标。

    出力不足型运行小时(UHS1)

设备处于出力不足非健康运行状态的运行小时数

    磨擦卡涩型运行小时(UHS2)

设备处于磨擦卡涩型非健康运行状态运行小时数

    堵塞泄漏型运行小时(UHS3)

设备处于泄漏堵塞型非健康运行状态运行小时数

    性能下降型运行小时(UHS4):

设备处于性能下降型非健康运行状态的运行小时数(UHS):

    统计期内发生的所有非健康运行小时之和,即

         UHSUHS1+UHS2+UHS3+UHS4

    非健康运行系数(UHSF)       

    运行贡献系数(UTF)    

3)第三阶段 完成磨煤机等12类辅助设备(系统)的可靠性管理现状调研,收集故障信息,形成非健康运行状态判断标准

针对磨煤机、送风机、引风机、高加、给水泵、电除尘、脱硫、脱硝等12类辅助设备(系统)进行现场调研,内容包括:设备概述,配置情况,日常监测参数及手段、性能测试参数、设备特征量,关键部件清单,典型故障,检修模式,检修周期等。

 

4)第四阶段 完成发电辅助设备可靠性管理评价体系建立

通过深入研究火电厂辅机各种状态和故障基本模式及识别方式,选择合理的可靠性评价方法,构建综合型辅机可靠性指标体系,引入层次分析法和模糊数学理论,用模糊数学的方法把这些有更深内涵的指标非健康运行或备用结合起来,形成一个对辅机设备全状态、全工况、全方面的可靠性评价指标体系。

根据辅机可靠性评价所面向的对象和使用的人员不同,划分为三层结构,分别为目标层、管理层、设备层。

 

将设备的每一个非健康状态定义为一个影响因素,每个因素都可判定可分为5个等级,即SABCD,其含义可分别理解为:卓越、优秀、良好、及格、不合格。将每一因素集依次代入隶属函数可得到各单因素评判集的隶属度,以其为行组成评判矩阵。针对四种非健康状态,选用半梯形函数作为确定隶属原则的函数,通过模糊化,建立由xy的模糊映射,即当指标落在偏小或偏大的数据范围内时,映射函数取01;当指标落在适中的范围内时在0l范围内按线性插值来给出映射函数。设计满分为100分,按照三个层次确定每层的权重。其中目标层、管理层的确定的指标,按照能源局公布的全国平均水平给出评价标准,设备层状态根据评判矩阵隶属度确定可靠性评价指标量值。

用层次分析法进行辅机可靠性目标层、管理层、设备层要素权重确定时,把要评价分析的几种指标进行分析对比,根据专家和专业人员主观经验来判断制定各指标权重。虽然主要由专家主观评定,但在各因素的分析与处理上考虑了大量的客观影响因素,增强了权重设置的科学合理性。

最后,分别选取了国华电力8家发电公司,针对磨煤机、给水泵、高加、送风机、引风机等五类辅机数据进行了综合评价,评价结果验证了评价模型的合理性、符合性,表明本项目建立的可靠性评价方法,更加准确、全面反映了机组辅机的设备状况以及其对机组的影响程度,达到立项时确定的“全状态、全方位、全过程评价辅机可靠性”研究目标,具备在电力行业推广应用的条件。

二、项目实施

1.项目组织与实施情况

20159月,启动《燃煤机组辅助设备可靠性管理评价方法研究》科技创新项目立项。

20163月,召开项目启动会。会议确定了研究总体方案、工作计划、时间进度等。

2016年5、6月,对国华公司燃煤机组辅机3年运行状况进行数据采集整理,8月完成数据分析。

2016年9月初步确定辅机可靠性评价体系,并进行了数据验证。

2016年10月形成《辅助设备可靠性管理评价方法研究报告》初稿,11月形成《国华辅机可靠性评价标准》初稿。

期间项目组召开8次研讨会,经过10轮完善,2016年12月份形成了最终技术报告。

2.项目的资金使用和人员投入情况

本项目共计费用19.5万元。由国华公司、天津国华盘山发电有限责任公司、华北电力科学研究院有限责任公司、神华国华(北京)电力研究院有限公司共同组成项目组,11个成员中5个教授级高工,实施过程中,对课题任务进行了明确的分工,按照课题内容对项目组进行了分组。共计约16人月。

3.项目完成的主要实物工作量

    完成辅助设备分类、筛选研究对象:1人月

    建立辅机可靠性的状态划分标准:2人月

    完成磨煤机等辅助设备(系统)的可靠性管理现状调研:6人月

    电厂辅机各种状态和故障基本模式及识别:3人月

    建立发电辅助设备可靠性管理评价体系:4人月

三、项目提交的主要成果

1.项目解决的主要技术问题

一是将辅助设备运行状态划分为健康运行状态及非健康运行状态,其中非健康运行状态根据故障机理细化为出力不足型、磨擦卡涩型、堵塞泄漏型、性能不足型等四种,辅助设备可靠性状态由原6种状态扩展为10种状态。非健康运行状态的增加,可以更加精准地描述辅助设备的运行状态,为评价辅助设备可靠性及确定辅助设备检修策略提供依据。

二是采集了国华电力300-1000MW的燃煤机组2013-2015年的磨煤机等14类辅助设备(系统)的故障,对每一种辅机,找出主要故障模式、处理方法、非健康运行状态的识别方式及判定标准。

三是运用层次分析法和模糊综合评价法相结合,建立了一个递阶多层次的模型结构,形成目标层、管理层、设备层的递进层次评价体系,形成辅机可靠性统计评价表,实现了对辅助设备可靠性全面、准确、综合的定量评价。

四是采用所建立的指标体系和评价模型,选取国华电力3个发电公司8台机组共126台辅助设备年度运行指标进行实证分析,验证了评价模型的科学性、合理性、符合性。

2.实际达到的主要技术指标(定性与定量)

分别选取了国华电力公司8家发电公司,针对磨煤机、给水泵、高加、送风机、引风机等五类辅机数据进行综合评价,综合评价结果如下表所示。

为进一步说明评价结果,选取徐州、锦界、惠州等3个发电公司可靠性数据及评价情况进行具体分析,这三个发电厂分别代表1000MW600MW300MW三个容量级机组,且2015年度均未发生因5类辅助设备故障导致的机组非停或降出力事件,如果依靠原有的可靠型评价体系不能全面反映其辅机可靠性情况,而采用本课题评价体系可对可靠性指标状况更加深入和精确地评价,评价情况如下:

       按总分排序,锦界辅机设备运行可靠性高、徐州次之,惠州较差。

    锦界4台600MW亚临界机组,2015全年均无计划检修、无非停,各机组均有连续运行超过300天的长周期运行记录。全年机组可用系数100%、运行系数97.45%,且出力系数均超过80%,5类辅机可用系数均为100%,主、辅设备总体运行良好。但目标层和管理层宏观可靠性指标并不能全面反映设备运行情况,如全年仅磨煤机停备中磨煤机内部检查33次(原因为异音、石子煤量大、磨辊间隙调整、来煤杂质等),冷、热风门和混合风门卡涩或故障18次(2月较频繁),漏粉26次,蓬煤11次,磨煤机油站电源开关检查1次,润滑油泵异音4次。长期存在磨煤机来煤杂质,运行磨辊加载不平衡、漏粉和蓬煤等问题。设备层得分12.15,表明锦界辅助设备总体运行可靠性高,但设备部分时段运行状态为非健康状态运行,应加强后期维护和保养。

徐州21000MW机组,其中1台机组进行C修,全年机组可用系数93.82%、运行系数89.25%,利用机组检修期间对5类辅助设备进行设备治理。磨煤机对磨损严重更换磨辊、导向衬板,更换叶轮护板、节流环、防磨衬板等;石子煤室更换新刮板面等。送风机、引风机更换液压缸等工作,修后辅助设备运行良好。这些状况在非健康状态状态统计均有体现,设备层得分高于锦界。

惠州2300MW机组,其中1台机组进行A修,全年机组可用系数93.59%、运行系数81.33%,磨煤机发生非计划停运8次,给水泵组发生非计划停运3次,受此影响,目标层、管理层得分较低。但其非故障辅助设备状况良好,确保机组未出现辅助设备导致的非停及降出力事件,同时结合机组A修对辅助设备进行了治理,设备层得分较锦界略高。

总体看,辅助设备可靠性评价结果真实反映各厂设备可靠性水平,设备非健康状态评估完善了辅机可靠性指标体系,使其更科学、更完善。

建立的指标体系和评价模型,经过实例分析,验证了可靠性评价模型的合理性、符合性,具备下一步推广应用的条件。

3.提交的主要成果和形式

一是建立了目标层、管理层、设备层的三层辅助设备评价体系,形成辅机可靠性统计评价表。

 

二是制定《国华辅机设备可靠性评价标准》,规范现场数据采集标准。其中将原辅助设备可靠性状态划分由原6种状态扩展为10种状态,完善后的状态划分图如下图。

            完善后的辅助设备状态划分图

 

四、项目的主要技术贡献

原有的以主机为核心的设备可靠性评价体系,在针对辅机进行评价时具有局限性,应采用更加精确和有效的评价方法,本项目建立的辅机可靠性评价方法选定对象主要针对辅机,效果较好、对生产指导性更强。

第一,理论创新。将辅助设备运行状态细化为健康运行状态及非健康运行状态,其中非健康运行状态根据故障机理细化为出力不足型、摩擦卡涩型、堵塞泄漏型、性能不足型等四种,从而更精准表征了可靠性定义中“规定功能”的内涵,提出了对四种非健康运行状态的识别标准,明确了非健康状态的统计方法,更精确反映辅机运行的可靠性。

    第二、方法创新。通过对国华14类辅机运行情况的调研,总结出每类辅机不同故障模式的发生频次及每类辅机设备不可靠因素对机组安全稳定运行可靠性、经济性、环保性不同程度的影响。在此基础上,采用层次分析法和模糊综合评价法相结合的方法,确定了目标层、管理层、设备层的递进层次评价体系,同时确定每层间及每层中的指标权重,实现了对辅机可靠性全面、准确、综合的定量评价。 

第三,采用所建立的指标体系和评价模型,选取国华公司3个发电公司机组共台辅助设备2015年度一年的运行指标进行实证分析,验证了评价模型的合理性、符合性,具备下一步推广应用的条件。 

第四,制定了《国华辅机设备可靠性评价标准》,规范现场数据采集标准。

五、技术应用情况与效益估计

分别选取了国华电力公司8家发电公司,针对磨煤机、给水泵、高加、送风机、引风机等五类辅机数据进行综合评价表。

 

三个容量级机组,且2015年度均未发生因5类辅助设备故障导致的机组非停或降出力事件,评价结果表明,锦界辅机设备运行可靠性高、徐州次之,惠州辅助设备故障较多;分项得分分析表明,锦界辅助设备总体运行可靠性高,但设备部分时间运行状态为非健康状态运行,应加强后期维护和保养;惠州受计划检修及非停因素影响总体可靠性指标最低,但其非故障辅助设备状况良好,同时结合机组A修对辅助设备进行了治理,确保机组未出现辅助设备导致的非停及降出力事件,设备层得分较锦界略高。

    如果依靠原有的可靠型评价体系不能全面反映其辅机可靠性情况,本项目建立的评价体系增加了设备非健康状态,从而完善了辅机可靠性指标体系,真实反映各厂设备可靠性水平,全面、准确、综合地反映了电厂的可靠性管理水平,可以为发电辅助设备乃至机组的设备管理、运行方式优化等工作提供决策支持。

  

主创人员:白翎等