船舶核動力裝置汽水分離再熱器可靠性建模與預計研究

焦文健，姚玉南，盧嘉偉，張 維，安 邦

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

在節能減排的大環境下，開展民用核動力船舶的研究是實現航運業零排放的一種有益嘗試。汽水分離再熱器(簡稱MSR)是核動力裝置二回路的關鍵設備，汽水分離再熱器的主要功能是在規定的工作參數下，安全可靠的將高壓缸排出的混合蒸汽進行分離和再熱，使蒸汽達到低壓缸進口參數要求，從而提高機組效率。本文中的汽水分離再熱器是新型立式結構，并以相關成熟技術為基礎進行設計。該立式汽水分離再熱器，由5個部件組成，分別是筒體、預分離組件、汽水分離組件、再熱器組件、封頭。高壓缸出來的主蒸汽從筒體一側進入汽水分離再熱器殼體后，依次經過預分離器、汽水分離器，分離出來的水分在重力的作用下通過水槽和疏水管排入分離器的疏水罐。經過汽水分離作用后出來的蒸汽進入再熱器組件進行再熱，從MSR筒體的另一側流出，進入低壓缸。

可靠性分析基礎工作是可靠性建模，可靠性模型也是對設備進行可靠性分析、可靠性設計的重要組成部分，也是設備進行“六性分析”的重要工作項目之一。本文根據GJB 813—1990標準規定的程序和要求，從汽水分離再熱器的結構、功能和任務剖面的分析入手，建立了其可靠性模型以及相應的數學模型，為進行故障模式、影響及危害性分析(FMECA)、故障樹分析(FTA)和可靠性預計及分配提供重要依據。

1 可靠性建模與預計流程

在設備研制階段的早期需要對其進行可靠性建模和預計，定量分配、預計和評估設備的可靠性，并隨著研制工作的進展與設計的更改，不斷細化和修正，反復迭代進行。

汽水分離再熱器可靠性建模與預計的步驟如下：定義汽水分離再熱器，建立汽水分離再熱器物理模型，建立汽水分離再熱器數學模型，確定汽水分離再熱器各組件可靠性參數，最后計算汽水分離再熱器可靠性值，得出可靠性預計結論反饋設計，編寫汽水分離再熱器可靠性建模與預計報告[1-4]。如圖1所示。

圖1 可靠型建模與預計程序

根據現有的可靠性預計的方法，結合汽水分離再熱器(MSR)在設計過程中的實際情況，制定汽水分離再熱器的可靠性預計流程，如圖2所示。

圖2 汽水分離再熱器可靠性預計流程圖

2 汽水分離再熱器結構及功能分析

汽水分離再熱器的設計為立式結構，整個汽水分離再熱器主要部件有5個部分，分別是筒體、預分離組件、汽水分離組件、再熱器組件、封頭(上封頭和下封頭)。筒體主要功能是為汽水分離形成一個密閉的空間，預分離器部件功能是對高速蒸汽混合物器一定的阻礙作用，使其沿預分離器周向流動繞過預分離器，使蒸汽混合物可以更加均勻的進入波形分離器。汽水分離器主要部件是波形分離器，濕蒸汽在分離器組件內多次的改變流動方向，蒸汽中的水滴在慣性和重力作用下，與蒸汽分離后沿著板壁流向底部，從底部排出。再熱器為立式結構，加熱蒸汽從管內由MSR頂部進入，流過加熱器與換熱器后被凝結成水，由管內壁流到管束集水區。分離器出來的濕蒸汽橫向沖刷再熱器傳熱管束，與管內蒸汽進行換熱過程后，變成過熱蒸汽，流出汽水分離再熱器。

因此,MSR的功能有如下2點。

1)汽水分離。 由汽輪機組的高壓缸輸入的混合蒸汽，經過預分離組件和汽水分離組件進行汽水分離，經過這2個部件后，混合蒸汽除去98%的水分。

2)蒸汽干燥與過熱。經過汽水分離組件后的混合蒸汽，進入再熱器組件，濕蒸汽橫向沖刷再熱器傳熱管束，與管內蒸汽進行換熱過程后，變成過熱蒸汽。

MSR的功能框圖如圖3所示。

圖3 MSR功能框圖

MSR最佳熱力性能是受高、低壓缸的參數支配的，汽輪機及相關輔機應與它一同進行汽輪機系統熱平衡優化，以獲得最佳的汽水分離再熱器參數[5]。

在汽水分離再熱的過程中，選取蒸汽濕度以及蒸汽的溫度兩個參數來反映汽水分離再熱器工作的任務剖面，MSR任務剖面如圖4所示。α1、α2、α3為經過各組件后的濕度；T1、T2、T3、T4、T5為經過各組件后的溫度。

圖4 MSR任務剖面

任務剖面的描述主要選取的是高壓缸出來的主蒸汽經歷的時序變化，即在經過各個部件后，其濕度和溫度的變化情況。

3 汽水分離再熱器可靠性模型

3.1 可靠性物理模型

基本可靠性與規定的條件有關，即設備的工作環境條件、應力條件、壽命周期等，也就是與“壽命周期”確定的條件。

決定設備基本可靠性的是設備在整個壽命周期內發生的所有的需要維修或更換的故障，而不局限于發生在任務周期內。因此物理模型采用全串聯模型。MSR的基本可靠性框圖如圖5所示。

圖5 MSR的基本可靠性框圖

根據上文對汽水分離再熱器的功能以及任務剖面的分析，確定汽水分離再熱器的任務可靠性模型為串聯模型。MSR的任務可靠性模型同圖5一樣。

3.2 可靠性數學模型

可靠性數學模型從數學上建立可靠性框圖與事件、事件和故障率數據的關系。用數學表達式表示設備各單元與系統之間的可靠性函數關系，以此來求解設備的可靠性值。

建立汽水分離再熱器的基本可靠性模型時，由于其可靠性框圖是各單元的串聯，因此，汽水分離再熱器的可靠性數學模型是按照串聯的邏輯關系，由各組件的可靠性參數計算系統的可靠性值。

MSR的基本可靠性模型為：

(1)

式中：Rs(t)為MSR的可靠度；Ri(t)為第i個組件的可靠度。

(2)

(3)

式中：λs為汽水分離再熱器的故障率；λMi為汽水分離再熱器第i個部件的故障率；TBFs為汽水分離再熱器的平均故障間隔時間。

根據汽水分離再熱器的特點，選擇普通概率法進行任務可靠性數學模型的建立。

MSR的任務可靠性模型為：

(4)

式中：Rs(t)為MSR的可靠度；Ri(t)為各組件的可靠度。

(5)

(6)

式中：λs為汽水分離再熱器的故障率；λMi為汽水分離再熱器第i個部件的故障率；TBFs為汽水分離再熱器的平均故障間隔時間。

4 可靠性預計

4.1 參數獲取

對于汽水分離再熱器的再熱器單元，需要綜合考慮環境因子K、降額因子D，從而更真實的計算出再熱器組件的故障率。因此計算汽水分離再熱器的實際故障率公式為：

λ=λb·K·D，

(7)

式中：λ為工作故障率，10-6/h；λb為基本故障率，10-6/h；K為環境因子；D為降額因子。

目前可選取的可靠性數據手冊是美國可靠性分析中心的《非電子零部件可靠性數據》，其中包括了電氣、機械、機電、液壓機旋轉裝置故障率，引用到我國的可靠性預計時需要進行修正。汽水分離再熱器屬于核電設備，其可靠性數據可同時參考《中國核電廠設備可靠性數據報告(2015版)》，由此獲得再熱器的基本故障率。環境因子的選取主要參考GJB/Z 299C《電子設備可靠性預計手冊》，降額因子的選取依靠工程經驗。

再熱器故障率計算過程如下：

λ=λb·K·D=10.08×10-7/h，

對于無法獲得基本故障率的部件，采用評分預計法進行計算。其通常考慮的因素有：復雜程度、技術水平、工作時間以及環境條件。評分的原則以故障率為預計參數說明評分標準，各種因素分的分數值可設置為1～10分，具體如圖6所示。

圖6 評分預計流程圖

計算模型如下：

已知某單元的故障率為λ*，則其他單元的故障率λi為：

λ*=λi·Ci，

(9)

式中：i=1，2，…，n，n為單元數；Ci為第i個單元的評分系數。

Ci=ωi/ω*，

(10)

式中：ωi為第i個部件單元評分數：ω*為故障率為λ*的部件的評分數。

(11)

式中：rij為第i個單元，第j個因素的評分數；j=1為復雜度；j=2為技術水平；j=3為工作時間；j=4為環境條件。

汽水分離再熱器其他組件的故障率計算結果，如表1所示。

表1 MSR部件故障率評分預計結果

由故障率預計法獲取到再熱器組件的工作故障率，再由評分預計法獲得到其他組件的故障率，得出汽水分離再熱器5個組件的故障率，如表2。

表2 MSR基本信息和故障率

4.2 綜合預計

首先，根據基本可靠性模型計算汽水分離再熱器的故障率λs：

再由基本可靠性模型計算出汽水分離再熱器平均故障間隔時間MTBF:

假設汽水分離再熱器各組成部分壽命均服從指數分布，故根據其任務可靠性模型計算其可靠度：

RS(2 000)=e-λst=e-29.78×10-7×2 000=0.994 0。

汽水分離再熱器的可靠性預計結果為：MTBF為335 795.836 h，達到了該設備的基本可靠性規定值要求(MTBF=40 a)；當設備運行到2 000 h時，設備的可靠度為0.994 0，也達到了設備任務可靠性規定值的要求(Rm(2 000)=0.9)。

其中薄弱環節存在于再熱器組件，其故障率占整個設備的故障率的33.8%，如果需要提高MSR的可靠性，需考慮改變設計方案，選擇可靠性水平更高的組件或者改進設計提高再熱器組件的可靠性。

5 結束語

1)本文介紹了船舶核動力裝置立式穩壓器的構成和功能，通過任務剖面和環境剖面分析了核動力設備汽水分離再熱器的功能要求；根據GJB 813—1990中可靠性建模的方法和步驟，并參考型號系統可靠性建模與預計應用指南以及型號可靠性工程預計手冊，分別建立了其基本可靠性框圖和任務可靠性框圖，最后根據相應框圖建立了其基本可靠性數學模型和任務可靠性數學模型，為汽水分離再熱器詳細的可靠性分析工作奠定了基礎。

2)對汽水分離再熱器進行樂可靠性預計，先通過《非電子零部件可靠性數據》《中國核電廠設備可靠性數據報告(2015版)》兩個文件查到汽水分離再熱器部分部件的故障率，采用故障率預計法選取相關系數進行一定的修正；對于不能直獲取到故障率的部件，采取評分預計法得到其故障率，最后以部件的故障率為基礎，依據汽水分離再熱器的可靠性模型，對其進行預計，計算得到設備的總故障率，可靠度等參數，依據參數對汽水分離再熱器的設計進行分析并提出建議。

[1]龔慶祥. 型號可靠性工程手冊[M].北京：國防工業出版社， 2007.

[2]謝少鋒， 張增照， 聶國健. 可靠性設計[M].北京：電子工業出版社， 2015.

[3] 康銳， 石榮德， 李瑞瑩. 型號可靠性維修性保障性技術規范：第2冊[M].北京：國防工業出版社， 2010.

[4]裝備可靠性工作通用要求：GJB 450A—2004[S].

[5]牛忠華. 核電機組汽水分離再熱器的研制[J]. 裝備機械，2013(3):44-48.