核電廠基于設備可靠性和價值的精益運維技術的研發應用

任合斌，田輝宇，鄒 暉，孔祥海

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

隨著國內電力體制改革持續深化，受市場形勢影響，核能發電成本面臨外部競價上網壓力，在企業內部面臨降本增效等考核要求，同時為履行核能發電的安全性和經濟性的承諾，在確保核電廠安全發電的前提下，需電廠持續提升自己的核心競爭力，提升電廠設備可靠性管理水平。國際上美國核電行業于2016年發起了核電廠提升效率公告(EB16-16)，以期進一步降低核電廠運營成本，該公告認為電廠在非關鍵設備上執行了大量的高成本、高頻度和高資源占用的預防性維修活動，卻沒有取得相應的可靠性回報。因此識別非關鍵設備的高成本預防性維修活動，對于設備可靠性方面的收益，將有助于對PM(預防性維修)的工作內容、工作頻率或設備分級的優化。聚焦于高成本的非關鍵預防性維修活動將使電廠年度實際維修成本得到迅速的降低。

國內核電行業以CPR1000壓水堆為例，單機組設備總臺套數約10萬臺，其中約8.17%的設備為關鍵設備(C類：Critical)，約11.76%的設備為安全重要設備(S類:Significant)，對于其他約80.07%非關鍵重要設備(E類:Economic和R類:Run to Maintenance)的管理與C類和S類設備的管理并無明確的具有指導性意義的精益化管理策略和方法，這樣的狀態導致的后果是安全生產上非關鍵重要的設備占用了較多的設備維護資源，制約著核電廠在關鍵重要設備上的維護管理資源的持續精準投入。另外，在設備故障預防維護項目制定方面普遍存在加法多，精準的減法少，預防性維護項目制定過程中定性的技術依據多，定量的技術依據少；基于狀態的維修(Condition Based Maintenance,CBM)和預測性維修(Predictive Maintenance,PdM)還未形成完善的管理流程和體系，維修策略仍以固定時間的定期維修為主，這是一種高成本低效率的維護策略。

基于以上原因，研究在非關鍵重要設備上應用基于設備可靠性與價值平衡的維修技術(即R&VBM)成為一種必然選擇，通過該技術建立設備失效率與預防性維修(Preventive Maintenance,PM)項目的關系，構建維修任務成本數據結構，從而使得預防性維修項目的調整與周期的變化得以反映到可靠性的變化和維護成本支出中，使得電廠設備管理人員在保證設備可靠性前提下，可以通過綜合成本的比較選擇最優化的維修管理策略[1]。

1 R&VBM策略原理

1.1 R&VBM的技術基礎

R&VBM的技術基礎是基于PM任務可以有效防止設備失效模式這樣的假設，即PM任務是經過設備失效機理分析、降級影響因素識別、發現和預防手段識別這樣的流程實現的，每個PM任務都管理著單個或多個失效模式。

設備的維護策略根據設備的分級結果確定，關鍵設備以防止設備失效為目標制定維修策略；對于非關鍵設備基于設備可靠性目標和維修策略成本平衡的基礎制定維修策略，這種分析包括考慮設備的失效概率和失效后果。對于某些沒有安全功能或發電功能的設備，可以僅考慮維護設備的成本來制定維護策略，如果沒有預防性維護成本，則設備為RTM(Run To Maintenance)。R&VBM技術方法的功能在于能夠基于可靠性和成本分析結果，選擇最佳的設備維護策略。

1.2 R&VBM基本策略

圖1為R&VBM策略的原理圖，表明了預防性維修(PM)費用、糾正性維修(Correct Maintenance,CM)費用以及相應的設備可靠性之間的關系。圖1所示隨著PM費用的增加，設備CM費用呈“先減后增”的趨勢，這意味著增加設備PM維護項目不能無限增加設備的可靠性。A點為R&VBM方法中非關鍵非重要設備追求的總成本最低點，B點為該方法對關鍵重要設備追求的可靠性最高、CM成本最低、總維護成本相對較低點。A點到B點的變化區間意味著電廠可以從設備重要性分級的出發，為不同重要性的設備選擇不同的維修策略。

在傳統設備管理模式下，核電廠秉承“核安全高于一切”的理念，設備的維修策略選擇方面偏向于保守，日常更多的選擇定期維修項目，特別是新建核電廠，預防性維修策略主要參考同行經驗和遵照法規要求的方式開發設備的維修策略，與設備的失效機理和實際失效率沒有深度結合，使得維修策略缺少針對性，部分設備甚至存在“過度維修”的情況。實施R&VBM技術需對不同的設備采取精準的管理策略，對于影響機組整體可靠性的關鍵重要設備理論上需維持在B點，對于非關鍵非安全重要的設備則可向A點優化。而最終策略的制定將取決于核電廠對可靠性和經濟性的綜合考慮，所以R&VBM技術主要解決和處理設備可靠性和維護成本如何平衡的問題[2]。

2 可靠性計算模型

結合設備部件的平均無故障運行時間計算出設備總體失效率，根據設備失效率和維修任務計算檢修成本、備件材料成本和發電功率損失，建立基于可靠性和成本分析的維修策略分析模型，從而形成最優維護資源投入的經濟計算分析模型，提高維修活動的經濟有效性。

圖1 R&VBM策略原理Fig.1 The principle of the R&VBM strategy

(1)設備初始失效率的估算

將設備部件的失效模式根據失效機理分為隨機型(表示失效可能發生在任何時間)、有條件磨損型(表示當觸發條件存在時,設備會發生失效)和無條件磨損型(指設備投入運行后降級就會發生)三種。隨機型失效率可根據工程經驗取值(比如取1.1×10-4/年)；無條件磨損型失效率根據無故障運行時間(Mean Time To Failure,MTTF)計算，累加部件失效率得出設備的初始失效率，如某部件無故障運行10年，則年失效率為1/10，具體失效率通過行業內的經驗反饋統計分析獲取；有條件磨損型在條件不存在時，失效率取隨機值，當觸發條件存在時，失效率的算法與無條件磨損型失效率相同。

(2)設備失效率的估算

預防性維修活動對設備失效模式的劣化和降級起到緩解作用，在不同的環境、工況和周期的預防性維修策略下，設備的初始失效率由Fr轉換為Fr′、Fr″

N個預防性維修任務作用于同一失效模式的失效率變化可由式(1)所示：

(1)

將多個失效模式的失效率累加，可得設備的整體失效率變化[3]，同一部件的M個失效模式在N個預防性維修任務的管理下的失效率計算方法如式(2)所示：

(2)

備注：Fr為設備初始失效率、Fr′為單一失效模式設備失效率、Fr″為多重失效模式設備失效率、En′為隨周期變化防護有效性值(其中PM任務固有有效性取值為：高H=97%、中M=80%、低L=50%)、n為PM任務數、N為PM總數、j為失效模式數，M為失效模式總數)。

3 成本計算模型

經濟效益分析使用行業推薦成本計算模型：

(1)成本計算模型：

CB_PMO=(CM+CM_RP)·Fr+(PM+PM_CR)·Fp+(NRC/RL)

備注：CB_PMO總費用成本(結合設備失效率綜合考慮PM/CM人工、備件、功率損失及一次性投入、其他管理成本。)

CM：設備失效時的糾正性維修成本，包括人工、備件、材料等方面的成本總和；

CM_RP:執行CM功率損失成本，因停機或縮短運行時間引起，由小時功率損失百比×組功率×上網電價計算得出；

Fr:預期的設備年失效率，根據通用設備失效率，以及PM變更對設備失效率的影響變化計算得出；

PM:預防性維修成本、PM_CR:執行PM項目的功率損失成本、Fp:每年PM的執行頻率；

NRC:一次性投入成本(不再重復投入的執行維修優化的費用，比如技術改造和替代)；

RL：核電廠剩余壽命年限(可按核電廠設計壽命40年換算)。

(2)不同維修策略的比較和選擇

當PM活動取消、增加或周期延長、縮短時，導致了設備部件失效率的變化，則設備失效率由Fr′、變為Fr″，Fr′設備的PM頻率由Fp變為Fp′(Fp′=1/Fp)，對應可得Cost′：

Cost′=(CM+RP)·Fr″Fr″+(PM+RP)·Fp′

通過Cost與Cost′的對比，則可計算出維修策略的經濟價值影響，包括發電損失、人工成本、備件材料成本等方面的經濟影響。通過運籌學最短路徑的逐步逼近法得出Fp′的最優解,從而確定PM任務的周期。在實際計算過程中，以當前周期的0.1倍間隔代入開展設備可靠性分析，直至周期為當前周期的2倍。計算每個周期對應的年度糾正性維修成本、預防性維修成本和總成本。

4 設備類預防性維修(PM)模板的開發

為了將設備重要性分級和部件的失效模式、部件失效率以及故障預防任務的有效性和成本結合起來綜合分析，某電廠采用了以設備類預防性維修模板(PM模板)為核心載體的技術路線，將PM模板作為整個預防性維修的技術基準文件，整合和解釋了每項維修任務和設備失效點、失效機理、失效時間特征的關系，并集成了維修任務的有效性分析計算功能(用于評估PM任務變化和延長對設備可靠性的影響)。同時電廠將所有的預防性維護任務的基礎成本數據配置到PM模板中的方式，實現了可靠性分析功能和成本計算功能的數據架構解決方案,見圖2。

5 R&VBM軟件系統開發和應用

5.1 R&VBM軟件系統功能

某核電廠在建立了相應的算法模型基礎上，完成了海量數據的設備部件失效率數據庫和成本數據庫的建立，為軟件系統的開發奠定了堅實的數據基礎。如圖3為某電廠開發的R&VBM系統主要功能，它基于PM模板實現了設備可靠性分析、成本計算、最優維修策略周期選擇、維修工單數據獲取、成本趨勢分析和可視化成果展示等功能。

圖2 預防性維修技術基準文件-PM模板

5.2 R&VBM應用軟件系統

基于上述PM模板、可靠性計算模型、成本計算模型，某核電廠開發和投運了具有自主知識產權的R&VBM軟件平臺。該平臺具備成本數據(包括管理成本、人工成本、備件成本、功率損失成本)配置功能，同時與電廠工作過程管理系統(SAP系統)建立數據接口，可自動獲取和更新電廠檢修、成本數據信息，實現了設備可靠性分析、維修任務有效性評估、維修成本計算、成本可視化等主要功能。功能應用詳見圖4～圖6所示。

圖3 R&VBM軟件系統功能Fig.3 The functions of R&VBM software system

圖4 R&VBM可靠性分析頁面展示Fig.4 The reliability assessment interface display of R&VBM

圖5 R&VBM維修成本計算頁面展示Fig.5 The maintenance cost assessment interface display of R&VBM

圖6 R&VBM成本可視化頁面展示Fig.6 The interface display of R&VBM cost visualization

6 R&VBM應用成果及展望

6.1 R&VBM應用成果

通過R&VBM技術方法在設備精益化管理方面的創新應用，近幾年來某核電廠機組設備可靠性持續提升，設備可靠性指標(Equipment Reliability Index,ERI)在中廣核集團六大核電基地的排名從2016年的第5名逐年上升到2021年全集團第1名，見圖7。

在確保設備可靠性持續提升的前提下，利用R&VBM技術方法推動電廠預防性維修大綱持續優化，截止2021年6月某核電廠預防性定期檢修工作當量(PM大綱項目數7萬多項)較2017年底降低25.9%，大綱工作量降低17.6%，平均每年可節約17 000多人工日，成本管理精益化成果顯著(累計節約運維成本約1100萬元/年)，另外日常預防性維修工作票量和糾正性維修工作票量分別降低29.1%和59.3%，大修平均糾正性維修票量減少34.2%，數據表明在設備可靠性持續提升的同時實現了糾正性維修活動的大幅降低，也充分反映了R&VBM技術方法在核電行業設備精益化管理方面發揮出的巨大價值。(應用成果詳見圖8～圖10所示。)

圖7 某核電廠ERI指標歷年排名Fig.7 The ranking of ERI index

圖8 預防性大綱當量和工作量變化趨勢Fig.8 The reduction trend of PM programs and workload

圖9 日常預防性和糾正性工作票變化趨勢Fig.9 The reduction trend of PM and CM work package

圖10 大修預防性和糾正性工作票變化趨勢Fig.10 The reduction trend of PM and CM outage work package

6.2 R&VBM應用展望

R&VBM技術的開發應用是在保證電廠安全性和可靠性前提下，借助科學的可靠性分析模型和成本計算模型實現了電廠維護資源的優化配置。R&VBM的全面應用將促進核電廠管理層轉變管理理念，按照分級管理的理念，將電廠有限的維護資源投入到關鍵重要設備上，以取得核安全和設備可靠性的持續提升。R&VBM技術的應用投產將促進該技術本身所依賴的部件失效模式和失效數據的迭代更新，有力促進設備基礎維護數據價值的發掘，提升核電廠精益化管理的核心技術能力。

R&VBM技術提供了一套完整的達成設備高可靠性目標和成本精益管理目標的解決方案，在行業內具備廣泛的推廣應用價值。按照目前的應用經驗，該技術的全面應用可達到在確保核電廠設備可靠性持續提升的前提下，至少降低30%左右的年度維修成本。