應(yīng)用FMA失效分析提升機組可靠性的實踐

大唐寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司 陳小強

根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的可靠性年度報告，300MW以上火電機組年度非停次數(shù)在0.5次/臺年徘徊，汽輪機本體故障引發(fā)的非停占比達(dá)到11.61%，是除鍋爐以外第二大非停影響因素。在汽輪機本體故障非停中，汽輪機高壓缸故障占比1.2%，也是排名第二位的影響因素。分析非停因素可以看出，火電機組可靠性不能得到有效提升的原因在于，整機系統(tǒng)可靠性未能隨近年來火電主、輔機設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展、單一設(shè)備制造水平和可靠性的不斷提升而有效進(jìn)步，設(shè)備和系統(tǒng)交叉點等綜合性問題在火電機組實際可靠性管理中還有較大提升空間。

失效分析（FMA）是一種用來研究引發(fā)問題的潛在失效及其產(chǎn)生原因，進(jìn)而通過管理等手段提升可靠性的方法[1]。應(yīng)用于火電廠這種持續(xù)進(jìn)行的生產(chǎn)線模式，就是通過分析管理、組織與制度、人員因素、物品因素等存在的達(dá)不到預(yù)定壽命或預(yù)設(shè)管控能力的一種實用性管控方法，達(dá)到既提升可靠性又避免過度投入的目標(biāo)，以適應(yīng)當(dāng)前市場形勢下火電企業(yè)經(jīng)營需求。

某公司裝機4×300MW亞臨界濕冷汽輪發(fā)電機組，已在役運行近20年，采用東方系列鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，國電智深DCS系統(tǒng)。其中，汽輪機曾進(jìn)行高中壓缸通流改造，汽輪發(fā)電機組熱耗率處于同類型機組較好水平，年等效利用系數(shù)連續(xù)超年度計劃、平均非停次數(shù)處于火電機組先進(jìn)水平，表明該公司管理失效與組織失效方面得到了有效控制，處于低頻度。但實際上通過一起強迫停運事件深入分析看出，無論管理、組織或制度、人員因素、物品因素仍然存在失效風(fēng)險。

1 應(yīng)用失效分析進(jìn)行非計劃停運事件分析的必要性與模式

1.1 必要性在于非計劃停運造成較大的經(jīng)濟損失和可靠性、經(jīng)濟性績效評價指標(biāo)損失

一是直接經(jīng)濟損失（以極熱態(tài)啟動點火到并網(wǎng)、報調(diào)管階段直接費用計算）。燃煤消耗：統(tǒng)計值消耗原煤500噸，按平均入爐煤低位發(fā)熱量18.5MJ/kg計算，折合標(biāo)煤316噸標(biāo)煤，按標(biāo)煤單價1000元/噸計算，燃煤成本31.6萬元。燃油消耗：極熱態(tài)啟動，為控制主汽溫度盡快滿足沖轉(zhuǎn)需求，需投入高位的大油槍系統(tǒng)助燃，需消耗0號柴油25噸左右，按油價4200元/噸計算，燃油成本10.5萬元。蒸汽成本：給水泵汽輪機、除氧器加熱、輔汽供軸封系統(tǒng)合計用汽115噸，按120元/噸蒸汽售價計算，蒸汽成本1.38萬元。耗電成本：極熱態(tài)激動總耗廠用電40000kWh左右，按單價0.4元/kWh計算，耗電成本1.6萬元。基本費用成本44.5萬元，加其他原水消耗、除鹽水消耗等，合計記作50萬元/次。

二是損失電量收益。按平均負(fù)荷率70%計算，從滅火到缺陷消除完成點火需要N小時，則總損失電量=N×70%×30=2.1N萬kWh，按缺陷消除需要2小時計算，損失電量造成間接損失1.68萬元。

三是其他間接損失。年度等效可用系數(shù)下降0.05%，年度供電煤耗上升0.26g/kWh，公司可靠性評價指標(biāo)和經(jīng)濟性評價指標(biāo)均受到明顯影響，一方面影響集團(tuán)對公司的績效評級，另一方面績效評級下降會直接影響員工年平均收益。

1.2 應(yīng)用失效分析進(jìn)行非計劃停運事件分析的模式

火電生產(chǎn)從燃料到產(chǎn)品連續(xù)性完成的性質(zhì)，決定了任一不安全事件都是由于各種因素疊加產(chǎn)生。因此，在查明某次非計劃停運的直接原因時，應(yīng)該進(jìn)行流程重建，把問題放在管理流程、生產(chǎn)流程當(dāng)中去分析，才能最大限度查找原因，以提升整體可靠性水平。

一是建立引起事件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)流程。二是對每一個關(guān)鍵流程點進(jìn)行失效性質(zhì)分析（包括管理失效、組織制度失效、人因失效、物因失效）。三是針對失效性質(zhì)，對照失效模式庫進(jìn)行失效模式分析，再進(jìn)行擴展分析，檢查是否存在觸發(fā)同類失效模式的其他原因，綜合制定改進(jìn)措施。四是針對失效點失效模式，進(jìn)行發(fā)生概率和改進(jìn)措施成本評價，確定整改計劃、整改方案、整改時間。五是對整改后的系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評估。

圖1

2 調(diào)節(jié)級壓力故障引發(fā)非計劃停運的案例分析

2.1 事件現(xiàn)象

20:16:57，機組負(fù)荷291MW，AGC方式，磨煤機BCDEF運行，機組運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)級壓力由10.03MPa突降至3.60MPa，汽泵AB轉(zhuǎn)速指令由4655/4657rpm突降至3576/3578rpm。3.6MPa對應(yīng)給水流量需求為276T/h，實際汽泵AB出口流量由480t/h迅速下降至0，汽包水位快速下降，立即減負(fù)荷并投入機組深調(diào)模式擴展水位，啟動電泵加轉(zhuǎn)速。20:18:31，汽包水位-314mm，鍋爐MFT保護(hù)動作，機組跳閘。

圖2

2.2 原因分析

2.2.1 調(diào)節(jié)級壓力突降原因

測點引壓管法蘭密封發(fā)生泄漏，引起引壓管螺紋接頭爆裂，致使調(diào)節(jié)級壓力突降。調(diào)節(jié)級壓力取樣管關(guān)鍵部位技術(shù)參數(shù)：高壓內(nèi)缸測壓孔直徑φ19.8mm。法蘭齒形墊φ38×3.5，材質(zhì)12CrMoG代用GF101678，配件出廠檢驗合格，有合格證。爆裂的引壓管螺紋接頭材質(zhì)12Cr1MoVA，螺紋規(guī)格M39×2，螺紋長度36mm。經(jīng)過光譜分析：調(diào)速級測壓管螺紋部分材質(zhì)確為12Cr1MoVA，符合設(shè)計要求。

發(fā)現(xiàn)的問題包括：一是檢查殘留測壓管件發(fā)現(xiàn)螺紋部分可見3處1～3mm的空洞。二是測壓管內(nèi)壁存在較深的切削痕跡，形成了應(yīng)力集中源。三是查閱手冊，M39×2的外螺紋的小徑為37mm，測量內(nèi)壁直徑為32mm，通過計算，最薄弱處（牙底處）厚度僅剩余2.5mm的壁厚，且內(nèi)壁存在較深的粗糙的切削刀具痕跡，進(jìn)一步降低有效壁厚。

2.2.2 調(diào)節(jié)級壓力取樣管泄漏原因

測壓管與調(diào)節(jié)級后高壓內(nèi)缸連接方式為焊接方式，穿過高壓外缸處為螺栓結(jié)構(gòu)，取樣管道布置不合理，在機組啟停或頻繁深度調(diào)峰引起機組內(nèi)外缸溫差大存在溫差應(yīng)力的情況下，取樣管結(jié)構(gòu)未能有效避開其他固定件約束，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，調(diào)峰深度大、調(diào)峰頻次高的情況下，應(yīng)力集中部位易發(fā)生疲勞，在A修后300天以內(nèi)發(fā)生局部減薄或裂紋，最終引發(fā)泄漏。

2.2.3 主給水流量突降原因

大型汽輪機主蒸汽管道管徑較大，壓力高溫度高，裝設(shè)節(jié)流件進(jìn)行主汽流量監(jiān)測，會造成節(jié)流損失過大，機組整體經(jīng)濟性影響很大。因此，一般大型汽輪機主汽流量根據(jù)弗留格爾公式（即多級汽輪機變工況運行排汽口未達(dá)到臨界狀態(tài)時，通過汽輪機的蒸汽流量與級組前后壓力平方差的平方根成正比），因為機組排汽壓力變化幅度較小，工業(yè)應(yīng)用上忽略其影響不會產(chǎn)生較大誤差，所以由汽輪機廠家給出的“調(diào)節(jié)級壓力與主汽流量關(guān)系曲線”作為主汽流量模擬計算的依據(jù)[2]，即：

其中G——主汽流量；

P0——調(diào)節(jié)級壓力；

T——調(diào)節(jié)級絕對溫度。

2.2.4 汽包水位突降原因

當(dāng)調(diào)節(jié)級壓力測點或管線發(fā)生故障時，汽輪機調(diào)節(jié)級壓力由14.03MPa突降至3.60MPa甚至更低。根據(jù)汽包水位三沖量調(diào)節(jié)邏輯，在水位作為主調(diào)目標(biāo)的同時，以給水量和主汽流量作為主汽流量突降將瞬時附加一個較大的前饋減給水量指令，以確保汽包水位平衡，造成給水流量突降至0，而汽包輸出的實際主汽流量未變情況下，汽包補水流量突降，按汽包水位0線（低于汽包中心線100mm）以下-250mm鍋爐MFT的水位低低保護(hù)設(shè)置，不同負(fù)荷下18～25s內(nèi)均會發(fā)生鍋爐MFT跳閘。

2.2.5 失效模式流程分析

從圖3可以看出，在整個故障發(fā)生的可控流程中[3]，至少有一個管理失效問題，兩個組織或制度失效問題，一個人員因素失效問題，四個物品因素失效問題。按發(fā)生概率分析，1、6、7項失效點概率較大，3、4、5失效點概率較小。按整改難度分析，3、4、6失效點容易徹底治理，2、7、8失效點徹底治理難度較大。

圖3

2.3 其他隱患可能性拓展分析

2.3.1 引壓管結(jié)構(gòu)隱患

一是考慮頻繁深調(diào)引起內(nèi)外缸溫差波動對間隔內(nèi)管道膨脹要求，存在可能性較高，整改難度一般。二是考慮引壓管熱膨脹結(jié)構(gòu)有無應(yīng)力集中區(qū)域，存在可能性高，整改難度一般。是引壓管膨脹后有無與其他結(jié)構(gòu)碰麼可能，存在可能性低，整改難度一般。四是引壓管穿過外缸處密封結(jié)構(gòu)磨損，存在可能性低，更改難度高。五是引壓管材料有無基礎(chǔ)性隱患和材質(zhì)不合格問題，存在可能性一般，整改難度低。

表1 記錄高壓調(diào)節(jié)級壓力、一段抽汽壓力與主汽流量數(shù)據(jù)表

2.3.2 壓力測點誤動隱患

一是DCS系統(tǒng)DPU板件有無冗余設(shè)置，存在可能性低，整改難度高。二是DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)級壓力是否通過“三取二”等方式實現(xiàn)冗余配置，存在可能性低，整改難度高。三是取壓管路是否與測量回路一樣采用了獨立的冗余結(jié)構(gòu)，存在可能性低，整改難度一般。四是否有其他干擾因素可能誘發(fā)誤報，存在可能性低，整改難度高。

2.3.3 測點誤動后的事故擴大隱患

查閱DCS邏輯控制系統(tǒng)，以主汽流量作為輸入信號的調(diào)節(jié)器應(yīng)用共9處，其中影響較大的是給水自動控制系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、鍋爐熱量控制系統(tǒng)等。其中，協(xié)調(diào)控制方面和鍋爐熱量控制系統(tǒng)均造成熱負(fù)荷計算值增加，進(jìn)而產(chǎn)生與現(xiàn)有電負(fù)荷指令不匹配，AGC方式運行時均會造成鍋爐主動減負(fù)荷，但由于電負(fù)荷穩(wěn)定及熱量平衡系統(tǒng)綜合判斷，CCS方式會產(chǎn)生自動拉回作用，不會造成極端危險工況。存在可能性較低，整改難度一般。

2.4 失效點管控提升措施

基于上述幾個關(guān)鍵點失效分析以及衍生的失效危害，制定管理提升措施。

2.4.1 針對技改中新技術(shù)應(yīng)用的管理失效

一是提升技術(shù)改造管理水平，對第三方可研報告進(jìn)行認(rèn)真審核，落實崗位責(zé)任和問題追究機制。二是對新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行重點審查，包括原理、工藝、材質(zhì)等，列入年度可靠性重點管控項目。

2.4.2 針對三級驗收未發(fā)現(xiàn)問題的組織失效

一是提升項目監(jiān)理責(zé)任制落實，監(jiān)理合同監(jiān)理質(zhì)保金制度。二是A修期間必須安排對調(diào)節(jié)級壓力引壓管進(jìn)行金屬監(jiān)督檢查，確保管材質(zhì)量處于穩(wěn)定可靠期，否則對缸內(nèi)部分進(jìn)行整體換管。

2.4.3 針對主汽流量突變引發(fā)給水流量突變、邏輯設(shè)計上該處風(fēng)險評估不足的組織失效

一是增加調(diào)節(jié)級壓力突變抑制回路，監(jiān)測到5s內(nèi)變化值大于門檻值，切換至備用回路。二是以一段抽汽壓力為基礎(chǔ)，結(jié)合調(diào)節(jié)級壓力曲線，測算函數(shù)，（ki為一段抽汽壓力對應(yīng)主汽流量模擬曲線），實現(xiàn)保護(hù)冗余。

分析上述模擬測點，相對誤差4%以內(nèi)，額定工況下最大絕對偏差25t/h，可滿足自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)視需要。

2.4.4 針對給水流量突降、汽包水位引發(fā)MFT的人因失效

一是強化技術(shù)培訓(xùn)，提升監(jiān)盤質(zhì)量，提升復(fù)雜情況下的分析判斷和事故處理能力。二是DCS上增加主汽流量突變報警，提醒人員第一時間發(fā)現(xiàn)并處理。

2.4.5 針對四點物因失效

一是改善工藝設(shè)計，避免膨脹受限引起的局部應(yīng)力集中；二是完成引壓管特別是彎管、穿缸等重點區(qū)域材質(zhì)金屬檢測，確保應(yīng)用中的管材處于壽命可控范圍內(nèi)；三是綜合分析評估，鑒于缸內(nèi)引壓管路布置難度，不考慮增加獨立冗余引壓管路；四是利用一段抽汽壓力折算流量設(shè)置，降低調(diào)節(jié)級壓力與主汽流量強關(guān)聯(lián)性，提升可靠性。

2.5 整改后的系統(tǒng)可靠性評價

落實上述措施后，該公司4臺機組徹底杜絕了此類非停。受廠家結(jié)構(gòu)設(shè)計原因（未到大修周期無法徹底改造引壓管路）影響發(fā)生引壓管泄漏的極端情況下也能利用壓力保護(hù)回路的可靠冗余，避免了非計劃停運事件的發(fā)生。

3 結(jié)論

通過FMA法進(jìn)行系統(tǒng)性分析與治理，能擴大和發(fā)散非計劃停運事件的調(diào)查思路，提升失效問題分析的準(zhǔn)確性，有助于在經(jīng)濟性與可靠性均衡中取得最有效的整改措施和方案，有效提升機組可靠性管理水平。同時，促進(jìn)各級技術(shù)人員、管理人員從管理、組織、制度、人員、設(shè)備方面正確認(rèn)識失效模式，從定期維護(hù)、檢修工藝、技術(shù)監(jiān)督等方面提升可靠性管理意識，確保了機組長周期穩(wěn)定運行，實現(xiàn)4臺機組零非停1000d，其中3號機獲得2019年度可靠性標(biāo)桿機組稱號。