IGCC系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備可靠性分析

崔丕桓

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452）

現(xiàn)階段燃煤發(fā)電帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，潔凈的煤發(fā)電技術(shù)成為有益選擇。IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是把潔凈的煤氣化技術(shù)與高效的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。華能天津IGCC是我國(guó)第一個(gè)IGCC電廠，技術(shù)是華能集團(tuán)應(yīng)對(duì)目前電力市場(chǎng)形勢(shì)選擇的世界先進(jìn)水平的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。

目前國(guó)家能源局電力可靠性中心沒(méi)有適合IGCC電廠的可靠性統(tǒng)計(jì)規(guī)程，而相關(guān)電力行業(yè)檢修標(biāo)準(zhǔn)不包含IGCC系統(tǒng)。本文主要對(duì)IGCC電廠可靠性特征量進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，重點(diǎn)攻關(guān)，提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，分析IGCC系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)，構(gòu)建出IGCC可靠性增長(zhǎng)模型，找出檢修時(shí)間與等效可用系數(shù)之間的初步關(guān)系，確定合適的檢修時(shí)間，指導(dǎo)狀態(tài)檢修。通過(guò)控制IGCC機(jī)組的可靠性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組長(zhǎng)周期安全高效運(yùn)行。

1 現(xiàn)役天津IGCC可靠性系統(tǒng)劃分

1.1 可靠性定義

在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。

1.2 IGCC系統(tǒng)簡(jiǎn)介（如圖1）

IGCC機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，流程長(zhǎng)，為便于可靠性分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，必然要從系統(tǒng)角度對(duì)IGCC機(jī)組進(jìn)行子系統(tǒng)劃分。天津IGCC分為空分系統(tǒng)、氣化及凈化系統(tǒng)、燃機(jī)輪機(jī)系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 天津IGCC流程圖示意圖

1.3 IGCC狀態(tài)劃分（如圖2）

圖2 狀態(tài)劃分圖

可用：設(shè)備處于能夠執(zhí)行預(yù)定功能的狀態(tài)，而不論其是否在運(yùn)行，也不論其能夠提供多少出力。可用狀態(tài)包含運(yùn)行和備用。

運(yùn)行：對(duì)于機(jī)組，指發(fā)電機(jī)在電氣上處于聯(lián)接到電力系統(tǒng)工作（包括試運(yùn)行）的狀態(tài)，可以是全出力運(yùn)行，計(jì)劃或非計(jì)劃降低出力運(yùn)行。

備用：設(shè)備處于可用，但不在運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于機(jī)組，備用可分為全出力備用、計(jì)劃或非計(jì)劃降低出力備用。

不可用：設(shè)備不論由于何種原因處于不能運(yùn)行或備用的狀態(tài)。不可用狀態(tài)分為計(jì)劃和非計(jì)劃停運(yùn)。

計(jì)劃停運(yùn)：機(jī)組或輔助設(shè)備處于計(jì)劃?rùn)z修期內(nèi)的狀態(tài)（包括進(jìn)行檢查、試驗(yàn)、技術(shù)改造等）。計(jì)劃停運(yùn)應(yīng)是事先有進(jìn)度安排，并有既定期限，分為大修、小修、節(jié)日檢修和公用系統(tǒng)計(jì)劃?rùn)z修三類。

非計(jì)劃停運(yùn)：機(jī)組處于不可用狀態(tài)，但不是計(jì)劃停運(yùn)。

2 天津IGCC可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)按上述規(guī)則統(tǒng)計(jì)天津IGCC電站2013～2016年可靠性數(shù)據(jù)結(jié)果如表1～3。

?

?

?

通過(guò)以上分析，天津IGCC隨著投產(chǎn)以來(lái)，通過(guò)各系統(tǒng)分析，影響IGCC可靠性因素為氣化爐及低熱值燃機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)3年的治理，天津IGCC可靠性水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，尤其是2014年、2015年、2016年可靠性水平趨于平穩(wěn)，IGCC系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定期。

3 穩(wěn)定期IGCC系統(tǒng)計(jì)劃?rùn)z修與可靠性關(guān)系

天津IGCC經(jīng)過(guò)近年來(lái)的治理，已經(jīng)趨于穩(wěn)定，找到關(guān)于計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間與等效可用系數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)于天津IGCC制定年度檢修計(jì)劃及控制可靠性指標(biāo)有指導(dǎo)意義，對(duì)于保障機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有積極作用。

3.1 檢修系數(shù)的計(jì)算公式

發(fā)電機(jī)組的等效可用系數(shù)EAF是評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)組可靠性主要指標(biāo)之一，其計(jì)算公式：

式中：tAH——可用小時(shí)，為運(yùn)行小時(shí)和備用小時(shí)之和；

tED——等效降低出力小時(shí)數(shù)；

tPH——統(tǒng)計(jì)期間小時(shí)數(shù)；

tPH= tAH+tUH=tAH+tUO+tPO；

tPO——計(jì)劃停運(yùn)小時(shí)數(shù)；

tUH——不可用小時(shí)數(shù)；

tUH=tUO+tPO；

tUO——非計(jì)劃停運(yùn)小時(shí)數(shù)。

對(duì)于天津IGCC來(lái)說(shuō)，單臺(tái)機(jī)組的等效可用系數(shù)在有安排較長(zhǎng)時(shí)間計(jì)劃?rùn)z修的年份EAF比較小，在安排較短的計(jì)劃?rùn)z修年份EAF較大，但安排了較長(zhǎng)時(shí)間計(jì)劃?rùn)z修后，機(jī)組的可靠性得到了提升，而如何選取計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間與EAF形成了一對(duì)矛盾，選取合適的計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間使得EAF處于可接受范圍顯得至關(guān)重要。

引入檢修系數(shù)λ來(lái)表示天津IGCC扣除計(jì)劃停運(yùn)等效可用系數(shù)EAP的變化規(guī)律，其計(jì)算公式為：

λ與等效可用系數(shù)的關(guān)系如下：

對(duì)于天津IGCC機(jī)組EAP在不同年份有不同的數(shù)值，是年份的ti的函數(shù)，在ti年的檢修系數(shù)λi可表示為：

經(jīng)實(shí)際可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和驗(yàn)證，文獻(xiàn)[10～12]提出的檢修系數(shù)符合冪函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，冪函數(shù)的數(shù)學(xué)模型能夠較好地?cái)M合發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性數(shù)據(jù)。在天津IGCC可靠性預(yù)測(cè)中，發(fā)電機(jī)組檢修系數(shù)變化規(guī)律λt的數(shù)學(xué)模型采用冪函數(shù)表示為：

式中：t——發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行年數(shù)；

λ( t)——發(fā)電機(jī)組的檢修系數(shù)；

η——尺度參數(shù)；

m——增長(zhǎng)系數(shù)。

3.2 基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行2017年可靠性數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

由于λ(t)為冪函數(shù)，可以采用非線性回歸方法確定可靠性監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型的待定參數(shù)。采用最小二乘法來(lái)確定式子中參數(shù)m和η。根據(jù)2014～2016年得出天津IGCC系統(tǒng)的三組觀測(cè)值數(shù)據(jù),并根據(jù)2017年計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間，預(yù)測(cè)2017年等效可用系數(shù)，計(jì)算數(shù)據(jù)如表4。

表4 2017年等效可用系數(shù)預(yù)測(cè)

2017年預(yù)測(cè)與實(shí)際差距為0.006%，差距不大。

表5

3.3 預(yù)測(cè)2018年計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間（檢修時(shí)間）與等效可用系數(shù)的關(guān)系（表5）

4 結(jié)語(yǔ)

（1）等效可用系數(shù)2013～2014年非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)較高，由于IGCC系統(tǒng)投產(chǎn)初期，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，主要集中在氣化爐系統(tǒng)及低熱值燃機(jī)系統(tǒng)，隨著針對(duì)氣化爐系統(tǒng)及低熱值燃機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)，等效可用系數(shù)逐步提高。但由于系統(tǒng)投運(yùn)初期，機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行水平較差，個(gè)別系統(tǒng)影響整體可靠性的權(quán)重較大，時(shí)間較長(zhǎng)，因此在2013～2014年主要解決氣化爐穩(wěn)定及燃機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。

通過(guò)解決影響機(jī)組可靠性關(guān)鍵因素，可以大幅提高機(jī)組可靠性水平。

（2）通過(guò)預(yù)測(cè)2017年結(jié)果來(lái)看差距極小，當(dāng)以后發(fā)生意外事件時(shí)，可以剔除當(dāng)年數(shù)據(jù)，重新預(yù)測(cè)，能夠提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

（3）通過(guò)2014～2016年穩(wěn)定期數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)代可靠性理論找出計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間與等效可用系數(shù)之間的關(guān)系，指導(dǎo)電廠根據(jù)電力市場(chǎng)等外部因素，進(jìn)行檢修計(jì)劃的制定，同時(shí)使等效可用系數(shù)受控。

（4）可靠性分析是以可靠性為中心的檢修基礎(chǔ)，可靠性為中心的檢修本質(zhì)上是一套融故障檢修，定期檢修本質(zhì)上是一套融合故障檢修，定期檢修，狀態(tài)檢修，改進(jìn)性檢修為一體的優(yōu)化的綜合檢修模式，以實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備可靠性，減少生產(chǎn)和維修費(fèi)用的目標(biāo)。通過(guò)可靠性預(yù)測(cè)，能夠科學(xué)的制定檢修計(jì)劃，對(duì)經(jīng)濟(jì)檢修有重要意義。

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