部件短期故障數(shù)據(jù)在預(yù)測(cè)部件長(zhǎng)期故障率中的應(yīng)用

明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司 黃軍富 黃成彥 魏煜鋒 張慶宏

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由數(shù)萬(wàn)個(gè)零部件組成，其中較為關(guān)鍵的部件也有數(shù)十個(gè)，業(yè)主對(duì)每個(gè)關(guān)鍵部件都有質(zhì)保期要求，如果在質(zhì)保期內(nèi)部件發(fā)生故障的，整機(jī)廠商都需要對(duì)部件進(jìn)行免費(fèi)維修或更換，確定質(zhì)保期故障率可以有效評(píng)估該部件的可靠性是否滿足客戶及整機(jī)廠商內(nèi)部的要求。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)可以收集到相對(duì)完整的運(yùn)維故障數(shù)據(jù)大多在一年左右，如何借助一年的定檢內(nèi)容、機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)評(píng)估出質(zhì)保前的故障率具有深遠(yuǎn)的意義。

海上風(fēng)電場(chǎng)維修與更換難點(diǎn)主要體現(xiàn)在海上風(fēng)電場(chǎng)的可達(dá)性低，受海上天氣多變的影響，檢修人員到達(dá)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行日常巡檢的風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一旦發(fā)生故障，維修周期加長(zhǎng)，將導(dǎo)致可用率降低。周期性維修檢查難以實(shí)施，陸上風(fēng)電場(chǎng)會(huì)每年安排規(guī)律性的檢查，如每半年進(jìn)行規(guī)律性檢查，海上風(fēng)場(chǎng)可能因天氣原因取消檢修次數(shù)。關(guān)鍵部件的故障率要滿足整機(jī)可靠性分配的要求，否則因部件維修與更換導(dǎo)致的費(fèi)用將超過(guò)整機(jī)廠商承受范圍內(nèi)。

1 故障數(shù)據(jù)類型

精確的知道失效時(shí)間的數(shù)據(jù)稱為精確數(shù)據(jù)，不知道精確的失效時(shí)間的數(shù)據(jù)稱為刪失數(shù)據(jù)。刪失數(shù)據(jù)又可以分為左刪失、區(qū)間刪失、右刪失。左刪失指t時(shí)刻檢查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品已經(jīng)失效的數(shù)據(jù)，如一個(gè)產(chǎn)品500h檢查時(shí)已經(jīng)失效。區(qū)間刪失指t0時(shí)刻檢查產(chǎn)品仍正常工作，t1(t1＞t0)時(shí)產(chǎn)品失效的數(shù)據(jù)，比如一個(gè)產(chǎn)品300h檢查時(shí)正常，但400h檢查時(shí)失效。右刪失效指t時(shí)刻檢查產(chǎn)品仍正常工作，此后再無(wú)檢查，如500h檢查產(chǎn)品正常。在軟件中可以用兩列表示刪失效數(shù)據(jù)，一列表示失效時(shí)間，一列表示刪失。刪失列一般包括2個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)值型、文本型均可，軟件默認(rèn)較小的數(shù)值表示刪失，文本型F或1表示未刪失，C或0表示刪失。如圖1刪失數(shù)據(jù)，3件失效時(shí)間為12，3件失效時(shí)間為20+。觀測(cè)值相同的情況也可以用頻率列簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)表示。

圖1 刪失數(shù)據(jù)圖解

2 分布的識(shí)別

由于可靠性數(shù)據(jù)計(jì)算最終結(jié)果的精準(zhǔn)度取決于所選擇擬合的分布，所以正確的識(shí)別所收集的故障數(shù)據(jù)用哪種分布擬合變得尤為重要。很多軟件可以提供7類可靠性分析的分布，分別為指數(shù)分布、Weibull分布、最小極值分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)、Logistic分布、對(duì)數(shù)Logistic分布。通常有一定的原則可以參考，首先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和行業(yè)特點(diǎn)選擇分布。如果沒(méi)有歷史數(shù)據(jù)，可以通過(guò)比較概率圖中數(shù)據(jù)及其擬合直線之間的接近程度選擇合適的模型，樣本量不大時(shí)盡量選擇參數(shù)個(gè)數(shù)較少的分布。為了說(shuō)明如何進(jìn)行分布的識(shí)別，抽取了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組15個(gè)A部件進(jìn)行壽命試驗(yàn)，并收集其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)A部件壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

擬合結(jié)果如表2所示，3參數(shù)Weibull分布的AD值為4.274，其次是Weibull分布的AD值為4.280，然后對(duì)數(shù)正態(tài)為4.313，由于數(shù)據(jù)樣本量只有15個(gè)，屬于小樣本數(shù)據(jù)（小于100），Weibull擬合直線之間的接近程度較好且3參數(shù)Weibull分布與Weibull分布的AD相差很小，綜合考慮選擇以Weibull分布擬合更為合適。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)A部件壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

3 故障數(shù)據(jù)的分析

通常部件供應(yīng)商通過(guò)收集其產(chǎn)品并網(wǎng)后的故障數(shù)據(jù)以評(píng)估其產(chǎn)品的可靠性，如通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，并網(wǎng)后其部件在第一年中，總體故障比例為2%，那么以此推算3年的故障率為6%，符合整機(jī)對(duì)部件分配3年的可靠性指標(biāo)小于8%的要求（如表3所示），不需要進(jìn)一步的提升可靠性。但如此分析是不將一年的數(shù)據(jù)加以區(qū)別的分析，未考慮在一年內(nèi)故障的產(chǎn)品在并網(wǎng)后究竟使用了多久才發(fā)生故障的，如有些產(chǎn)品是1個(gè)月內(nèi)就發(fā)生故障了，而有些產(chǎn)品是并網(wǎng)后12個(gè)月才出現(xiàn)故障。按年籠統(tǒng)的去統(tǒng)計(jì)，無(wú)法確定在不同的時(shí)間下故障率是多少。

表3 故障率統(tǒng)計(jì)

如何更為有效的使用故障數(shù)據(jù)，可以用三角記錄的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如表4所示），通過(guò)三角記錄的方式，數(shù)據(jù)會(huì)反饋出更多的信息。通過(guò)表4看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組B部件并網(wǎng)后，在一個(gè)月內(nèi)就發(fā)生故障的產(chǎn)品達(dá)0個(gè)，0個(gè)就是對(duì)角線上數(shù)據(jù)累加的數(shù)據(jù)，同理可以知道一個(gè)月到兩個(gè)月之間發(fā)生故障數(shù)為1個(gè)，兩個(gè)月到三個(gè)月之間發(fā)生故障為2。

表4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組B部件并網(wǎng)1年的故障數(shù)據(jù)

以上三角記錄的故障數(shù)據(jù)，目前軟件還不能進(jìn)行分析，但可以通過(guò)軟件自身轉(zhuǎn)化成可以分析的故障數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化結(jié)果如表5所示，對(duì)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行壽命評(píng)估。基于以前的工程經(jīng)驗(yàn)且刪失數(shù)據(jù)很多，所以選擇按Weibull分析較為合適，Weibull分布是目前適用性最廣泛的壽命分布，它能概括早期故障期、偶然故障階段和耗損故障。β=1，weibull分布即為指數(shù)分析，代表偶然故障期，β＞1，Weibull分布代表耗損故障期，β＜1， Weibull分布代表早期故障階段，分析過(guò)程如圖2所示。通過(guò)故障分布概要圖可以知道，形狀參數(shù)（β）值為1.76大于1，說(shuō)明故障率會(huì)隨時(shí)間上升，因此故障率不能按1年的故障率×3來(lái)評(píng)估3年后的總的故障率。基于Weibull分布，可以算出任何時(shí)間的累計(jì)故障發(fā)生的概率，按月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，3年為36個(gè)月，5年為60個(gè)月，由圖2可以分析出，3年的累計(jì)故障率點(diǎn)估計(jì)0.29，95%的置信區(qū)間為（0.086～0.73），5年的累計(jì)故障率為0.57，95%的置信區(qū)間為（0.137～0.992），不符合整機(jī)對(duì)該部件的可靠性要求，需要提升可靠性。

表5 三角記錄故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后

圖2 基于Weibull的累積故障率分析

4 不良質(zhì)量成本預(yù)計(jì)

通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組B部件為例說(shuō)明兩種預(yù)估方式的不同會(huì)造成多大的差異，如表6所示。B部件故障引起的不良質(zhì)量成本主要包括以下幾個(gè)方面：（1）租船費(fèi)用；（2）維修人工費(fèi)用；（3）采購(gòu)新部件費(fèi)用；（4）停機(jī)發(fā)電量損失。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)3年后預(yù)估的不良質(zhì)量成本偏差有7,148,400元，結(jié)果顯示預(yù)計(jì)方式不合理會(huì)導(dǎo)致預(yù)估值跟實(shí)際偏差較大，未做優(yōu)化改善要求提升部件B的可靠性將會(huì)使整機(jī)廠商營(yíng)利水平大幅度降低。

表6 兩種預(yù)估方式計(jì)算不良質(zhì)量成本對(duì)比

結(jié)論：通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件并網(wǎng)后的故障數(shù)據(jù)的收集，基于可靠性統(tǒng)計(jì)原理的分析邏輯，并通過(guò)軟件的強(qiáng)大的計(jì)算功能可以實(shí)現(xiàn)短期數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)長(zhǎng)期故障率，為評(píng)判關(guān)鍵部件是否滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)其可靠性分配的指標(biāo)要求提供依據(jù)。