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火力發(fā)電廠檢修策略的研究與建模
點擊次數(shù):3950 更新時間:2011-07-20
  一般來講,火力發(fā)電廠的設(shè)備檢修涉及兩方面問題:一是應(yīng)該采用何種檢修技術(shù);二是該以怎樣的策略
  
  指導(dǎo)檢修,即如何確定檢修的*時機與內(nèi)容,如何通過科學(xué)的方式實現(xiàn)對整個檢修活動的優(yōu)化管理。在以往的計劃經(jīng)濟(jì)體制下,發(fā)電廠機組檢修是由各省電力調(diào)度中心統(tǒng)籌安排的,由于這種方式很少專門考慮單個發(fā)電廠設(shè)備的實際狀況,不能適時安排檢修,導(dǎo)致電廠經(jīng)常性地出現(xiàn)檢修不足、檢修過剩、盲目檢修等現(xiàn)象。隨著我國電力市場改革的不斷深化,各發(fā)電廠在生產(chǎn)和經(jīng)營上的自主權(quán)將不斷擴大,使得發(fā)電廠考慮*化檢修成為可能,進(jìn)而檢修策略的研究也隨之變得越發(fā)重要。
  
  檢修策略是一種復(fù)雜的優(yōu)化問題,是指通過有選擇地對設(shè)備進(jìn)行檢修,使系統(tǒng)在保證能夠正常運行的
  
  前提下實現(xiàn)檢修在經(jīng)濟(jì)上達(dá)到*[1]。真正能夠提高企業(yè)競爭力的檢修策略應(yīng)具備以下2個條件:(1)系統(tǒng)
  
  而周全地制定檢修計劃;(2)建立一套嚴(yán)密的檢修理論與模型,以保證檢修策略具有較強的科學(xué)性。國外發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)70~80年代就已經(jīng)把這一課題看成電力檢修的核心問題,并取得了大量的研究成果,而國內(nèi)目前在檢修經(jīng)濟(jì)性方面的研究還處于起步階段。
  
  文獻(xiàn)[2]介紹了一種國外以可靠性為中心的檢修(RCM)方式,它是根據(jù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)確定*檢修周期的;文獻(xiàn)[3]則對周期性檢修提出了挑戰(zhàn),認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)實際需要安排檢修。在檢修策略方面,文獻(xiàn)[4]
  
  介紹了一種基于RCM的借助于模糊推理理論制定檢修策略的方法;文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于RCM的檢修策略,它的zui大特點在于:通過權(quán)衡檢修進(jìn)度、檢修質(zhì)量及檢修費用3個要素的重要程度,制定合適的檢修計劃,實現(xiàn)對整個檢修的*控制;文獻(xiàn)[6]、[7]針對如何選擇待修設(shè)備的問題,分別介紹了確定設(shè)備檢修優(yōu)先級的方法,并提出應(yīng)根據(jù)設(shè)備的檢修優(yōu)先級對其實施檢修;文獻(xiàn)[1]介紹了一種面向多狀態(tài)系統(tǒng)的具有可選性的優(yōu)化維修策略,其zui終目標(biāo)是:在達(dá)到系統(tǒng)正常運行所要求的可靠性指標(biāo)的條件下,使設(shè)備總的檢修費用zui少,或者在檢修費用固定的情況下,使得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)達(dá)到zui大;文獻(xiàn)[8]介紹了一種利用區(qū)間算法和遺傳算法對檢修策略進(jìn)行優(yōu)化的方法。這些研究成果從不同角度對發(fā)電廠優(yōu)化檢修問題做了論述,提出了大量行之有效的方法,但提出的模型大都沒有很好地結(jié)合發(fā)電廠的生產(chǎn)實際,提出的檢修策略缺乏系統(tǒng)性。
  
  本文把"設(shè)備"作為檢修策略研究的出發(fā)點,以設(shè)備之間在檢修特性上的差異為線索對檢修類別作了重
  
  新劃分,并為每種類型的檢修構(gòu)建了優(yōu)化模型。分別建立數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢在于,模型具有更強的針對性,對憂化總是的考慮也更加系統(tǒng)和深入。
  
  一、火力發(fā)電廠設(shè)備檢修的新策略
  
  我國電力工業(yè)目前廣泛采用的定期檢修(TBM)模式是上個世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引入的[9]。在這種模式下,檢修活動通常被劃分為大修、中修、小修和日常檢修。大修一般4至6年安排1次,中修經(jīng)常安排在2次大修之間,而小修一般每年安排1次。同時,這3種檢修方式又具有明顯的計劃性,即檢修內(nèi)容比較固定,極少根據(jù)設(shè)備的實際狀況確定檢修內(nèi)容。多年的生產(chǎn)實踐證明,這種基于TBM的檢修策略明顯缺乏科學(xué)性,并帶有較大的盲目性。
  
  新的檢修策略在深入考慮了火力發(fā)電廠各類設(shè)備檢修特性的基礎(chǔ)上,把火電廠設(shè)備檢修劃分為4種類型。
  
  (1)例行性集中檢修(RCR)對于系統(tǒng)中的某些設(shè)備,由于其檢修工藝比較復(fù)雜,檢修須在機組停運狀
  
  態(tài)下進(jìn)行,且檢修周期長于通常的運行間隔,一般無法在機組運行的自然間隔期間對其實施檢修。鑒于此,專門為這類設(shè)備安排了RCR。在4種檢修類型中,RCR的規(guī)模zui大,持續(xù)時間zui長。
  
  (2)間隔性集中檢修(ICR)ICR在2次運行間隔中進(jìn)行,因此它不會犧牲機組的運行時間。檢修周期短于運行間隔的設(shè)備都可以在這個時段安排檢修。
  
  (3)日常預(yù)知性維護(hù)與檢修(DPMR)DPMR出現(xiàn)在系統(tǒng)運行的過程中,它的作用是保證系統(tǒng)始終運行在較高的可用性之下。凡是檢修活動不會影響機組正常運行的設(shè)備都可以安排在系統(tǒng)運行期間檢修。應(yīng)該指出的是,所謂不會影響機組正常運行包括兩種情況:一是設(shè)備的檢修對機組的正常運行沒有任何影響;二是設(shè)備的檢修會影響機組的發(fā)電能力,但由于某時段內(nèi)機組正好運行在低負(fù)荷狀態(tài),因此可以在此期間安排檢修。
  
  (4)突發(fā)事故下的檢修(AR)運行中的突發(fā)事故一般是由不可預(yù)知因素引發(fā)的,因此AR無論其檢修時間點、檢修對象還是處理方式都具有很大的不確定性。本文沒有對AR做過多討論,這里提出AR的概念主要是出于對檢修類型劃分完整性的考慮。
  
  圖1反映了RCR、ICR、DPMR3種檢修類型的分布情況。

  
  二、設(shè)備運行特性
  
  2.1設(shè)備的使用壽命
  
  對于每種設(shè)備,如果其出廠時質(zhì)量合格,那么它應(yīng)有一個預(yù)期的使用壽命T*life-span。T*life-span表示這種設(shè)備在理想工作環(huán)境下(標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、溫度、濕度、壓力等),從初始運行時的狀況Sinit到工作能力*喪失(即失效)時的狀況Sincap所經(jīng)歷生命周期的期望值,如圖2所示。

  
  然而針對某個確定設(shè)備來說,它zui終的實際使用壽命與預(yù)期壽命往往存在較大差異。假設(shè)設(shè)備出廠前
  
  制造工藝*符合標(biāo)準(zhǔn),質(zhì)量也*合格,那么這種差異主要源于它們所處的工作環(huán)境。一般情況下,設(shè)備在運行中難免在某些隨機時段會遇到惡劣環(huán)境或者在某些隨機時刻遭受破壞性沖擊。如果設(shè)備遇到惡劣工作環(huán)境或遭受破壞性沖擊后并未立即失效,其狀況將沿著新的狀況曲線S(t)變化(圖3),不妨將其稱為狀況跳變(狀況跳變出現(xiàn)的時間為t1)。設(shè)備發(fā)生狀況跳變以后,如果沒有得到任何處理,那么它的預(yù)期壽命將會縮短。設(shè)備因遭受強烈破壞性沖擊而立即失效的情況(如圖4)是zui不希望看到的,因為它很可能會導(dǎo)致突發(fā)性事故,帶來的經(jīng)濟(jì)損失往往數(shù)額巨大。
  
  2.2檢修對設(shè)備使用壽命的影響
  
  在生產(chǎn)過程中,可以通過狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)了解設(shè)備是否發(fā)生狀況突變。對于發(fā)生突變的設(shè)備,在
  
  檢修zui后期限(指能夠組織有效檢修的zui后時機)以前對其進(jìn)行檢修處理,可以改善設(shè)備的狀況曲線S(t)。
  
  值得注意的是,修復(fù)與更換將產(chǎn)生不同的效果,更換后的設(shè)備將進(jìn)入新的生命周期(圖5)。圖5中t2為該周
  
  期的起點。而對于那些經(jīng)過修復(fù)的設(shè)備,可以做這樣的假定:發(fā)生狀況突變的設(shè)備在得到及時修復(fù)后,其狀況曲線將回到突變前的模式(圖6),圖6中t2為設(shè)備及時恢復(fù)的時刻。
  
  三、*化檢修的數(shù)學(xué)模型
  
  3.lDPMR的優(yōu)化模型
  
  DPMR優(yōu)化問題的目標(biāo)是:以zui少的維修費用來保證系統(tǒng)在運行過程中的可用性始終滿足要求。這類檢修對象主要是那些不會因檢修而影響機組發(fā)電能力的設(shè)備。
  
  當(dāng)發(fā)現(xiàn)DPMR類設(shè)備ui出現(xiàn)狀況突變時,要對ui實施檢修,優(yōu)化檢修的原則為:
  
  如果,則更換ui,如果,則修復(fù)ui。
  
  其中:Crepair-i表示修復(fù)ui所需的費用,Li為ui的預(yù)期壽命,li表示由狀態(tài)信息得到的ui的剩余壽命,ci為ui的單價。
  
  3.2ICR的優(yōu)化模型
  
  ICR的主要對象:因檢修而影響機組發(fā)電能力或檢修活動必須在機組停運狀態(tài)下進(jìn)行的設(shè)備。
  
  ICR優(yōu)化問題的目標(biāo):以zui少的檢修費用保證系統(tǒng)在下一個生產(chǎn)周期內(nèi)的可用性滿足要求。
  
  ICR的檢修時機是機組的運行間隔,是由下一階段的發(fā)電任務(wù)所決定的確定量,設(shè)備之間在檢修策略的制定上基本不存在制約關(guān)系,通過分步尋求每個設(shè)備的*檢修方案就能找到間隔性集中檢修的整體*方案。
  
  對于ICR類設(shè)備ui來講,確定對ui的檢修方案實際上就是決定修與不修和換與不換的問題。為了達(dá)到預(yù)期目標(biāo),應(yīng)采取這樣的檢修原則:
  
  (1)如果,則對ui進(jìn)行更換;
  
  (2)如果,且,則對ui做任何處理;
  
  (3)如果,且,則分以下不2種情況考慮;
  
  如果,則對ui進(jìn)行更換,如果,則對ui加以修復(fù)。
  
  其中:為下一個生產(chǎn)周期的長度,d;Amirr-i表示如不經(jīng)檢修,ui的可用性在下一個生產(chǎn)周期內(nèi)可能達(dá)到zui小值;A*i為運行中ui的可用性需達(dá)到的zui小值;其它符號含義同DPMR優(yōu)化模型。
  
  3.3RCR的優(yōu)化模型
  
  RCR優(yōu)化問題的核心是,如何確定此類檢修的*時機,使得設(shè)備在其可用性滿足要求的前提下,在一個經(jīng)濟(jì)周期內(nèi)的檢修費用zui少,其優(yōu)化模型應(yīng)遵循如下原則。
  
  (1)在1個經(jīng)濟(jì)周期TRCR內(nèi),有選擇地在每個時段上安排一次例行性檢修或不安排例行檢修。
  
  (2)例行檢修過程中要對設(shè)備加以修復(fù)或更換,修復(fù)的目的是使設(shè)備的實際使用壽命晝逼近其預(yù)期使用壽命。
  
  于是得到經(jīng)濟(jì)周期TRCR內(nèi)例行性檢修總費用的期望值為:
  
  式中NRCR——例行性集中檢修設(shè)備的數(shù)目;
  
  ——TRCR內(nèi)的第i時段,1≤i≤Np;
  
  Prepair——RCR所在時段序號構(gòu)成的集合;
  
  DRCR-j——被安排了例行性檢修的第j時段蛤例行檢修持續(xù)的天數(shù)(j∈Prepair);
  
  CRCR()——URCR在內(nèi)檢修費用的期望值;
  
  Crepair-i(P)——ui在時段P內(nèi)檢修費用的期望值(P∈Prepair);
  
  d——機組停運一天造成的經(jīng)濟(jì)損失。
  
  3.3.2模型求解
  
  3.3.2.1TRCR與Np的取值
  
  經(jīng)濟(jì)周期TRCR可以根據(jù)本企業(yè)經(jīng)濟(jì)核算的習(xí)慣來確定,不妨令TRCR為15年。TRCR內(nèi)的單個時間間隔的長度實際上是TRCR上任意兩次相鄰臨時性檢修時間間隔的zui小可能取值,不妨取為6個月,則Np的取值為30(15年/6個月)。
  
  3.3.2.2對Prepair的討論
  
  由式(3)可以看出,每個Prepair將對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的1個取值,因此比較直觀的想法是:找到所有Prepair進(jìn)而得到目標(biāo)函數(shù)所有可能的取值,*問題將迎刃而解。
  
  設(shè)備集URCR經(jīng)歷經(jīng)濟(jì)周期TRCR的過程,也可以看成在每個時段選擇檢修狀態(tài)(是否安排臨時性檢修(檢修))的過程,Np個時段檢修狀態(tài)組合便對應(yīng)1個Prepair。例如:若“1”表示安排臨修,“0”表示不安排臨修,則一種可能的組合為:[1001...01],對應(yīng)的Prepair為:。很明顯,這樣的Prepairzui多有2Np個。
  
  考慮到發(fā)電生產(chǎn)的確良實際情況,在選擇檢修狀態(tài)時應(yīng)遵循這樣的原則:要保證URCR內(nèi)任何設(shè)備ui不會在運行過程中因其達(dá)到預(yù)期壽命而失效。假設(shè)pn為本次檢修所屬時段,那么安排下次檢修的時段pn+1應(yīng)該滿足這樣的關(guān)系:
  
  3.3.2.3目標(biāo)函數(shù)值的計算
  
  目標(biāo)函數(shù)式中的核心部分是Crepair-i(j),即ui在檢修時段j的預(yù)期花費。在某個確定的Prepair下,按照如下原則計算Crepair(j)(令當(dāng)前檢修時段為pn):
  
  (1)如果Li-ai(Pn)≤(Pn+1-Pn),則應(yīng)更換ui,此時Crepair-i(Pn)=Ci;
  
  (2)如果Li-ai(Pn)>(Pn+1-Pn),則對ui作解體檢查,必要時加以修復(fù),此時Crepair-i(Pn)=Ci(ai(Pn));
  
  其中:Li為ui的預(yù)期壽命,ai(Pn)為ui處在時段Pn時的運行年限,Ci為ui單價,Ci(ai)為ui在年*修復(fù)費用的期望值。
  
  3.3.2.4求解過程
  
  (1)令Ctemp=∞,Ptemp=P0,J=0
  
  (2)J=J+1。如果J>2NP,進(jìn)到(5);否則進(jìn)到(3)
  
  (3)枚舉2Np個Ptemp中的1個。n∈,驗證Prepir是否滿足:Pn+1≤[2(Li-ai(pn))],不滿足則回到(2);滿足則進(jìn)到(4)。
  
  (4)計算目標(biāo)函數(shù)值C*。如果C*≥Ctemp回到(2);如果C*temp則Ctemp=C*;Ptemp=Prepair,回到(2)。
  
  (5)C*min=Ctemp,對應(yīng)的Prepair=Ptemp。
  
  四、結(jié)語
  
  本文介紹了一種電力市場體制下火力發(fā)電廠的檢修策略,它打破了傳統(tǒng)的基于TBM檢修策略的束縛,以發(fā)電設(shè)備的運行特性和檢修特性為主要依據(jù),對檢修類型做了重新劃分,并分別給出了IRC、DPMR及RCR3種檢修的*模型。
  
  (1)DPMR優(yōu)化模型考慮的是日常檢修問題,IRC優(yōu)化模型考慮的是當(dāng)前運行間隔內(nèi)的檢修問題,它們的共同之處在于:1)模型中的設(shè)備信息都是來源于狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的實時信息,說明二者都屬于狀態(tài)檢修;)檢修時間點已經(jīng)確定,優(yōu)化的核心是決定修與不修、換與不換的問題;3)設(shè)備之間不存在相互制約關(guān)系,通過分步尋求每個設(shè)備的優(yōu)化方案即可得到整體*方案。
  
  (2)RCR優(yōu)化模型考慮的是一個經(jīng)濟(jì)周期內(nèi)的檢修問題,帶有長期規(guī)劃性質(zhì)。與前兩種模型相同的是,RCR同樣以經(jīng)濟(jì)性*作為檢修*問題的研究目標(biāo),不同之處在于:RCR優(yōu)化模型中的設(shè)備信息主要來源于設(shè)備未來狀況評估系統(tǒng);優(yōu)化的核心是尋找檢修時間在經(jīng)濟(jì)周期內(nèi)的*分布,并確定每次檢修的內(nèi)容。

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