基于水電站運行可靠性能評估

詹君萌 柏長青 金強剛

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司）

0 引言

為了提高水電站的性能和降低經濟損失，引起發電廠停電的經常性故障需要維修和預防性維護。使用維護和維修技術的正確組合，可以降低發電廠的維護成本和停機損失。在最壞的情況下，系統或設備的缺失會影響整個工廠，這可能導致工廠跳閘。然而，在大多數情況下，系統或設備的故障可能不會對整個工廠產生重大影響。

在這種情況下，系統的可靠性會下降，其他系統的可靠性也會受到影響。為了將可靠性維持到一定水平，關鍵性水平決定了設備或系統的重要性以及最佳適用的維護和維修計劃［1-3］。

1 水電站性能研究

水電站運行可靠性分析是確保水電站高效運行和減少停機時間的關鍵工作。這種分析主要集中在以下幾個方面：

1）設備可靠性：水電站的機械設備，如渦輪機、發電機和變壓器，必須保持高度可靠，以確保穩定的發電。通過對設備的定期檢查、維護和監測，可以降低設備故障的風險。2）電氣系統可靠性：電氣系統的穩定性對于水電站的運行至關重要。分析電氣系統的可靠性，包括開關設備、控制系統和保護裝置，以確保它們可以在需要時快速響應，防止電力中斷。3）水資源可靠性：水電站依賴水源來產生電力。因此，水資源的可靠性分析涉及對降雨、水庫水位和流量等方面的監測，以確保水資源的可用性。4）系統維護和人員培訓：定期維護和員工培訓對于水電站的可靠性至關重要。保持設備和系統在最佳狀態，以及為員工提供必要的技能和知識，可以減少意外停機和提高可靠性。5）備用能力：水電站應具備備用能力，以應對突發情況和維護需求。備用設備和備用電力源的準備可以確保在需要時保持電力供應。6）數據分析和監控：使用現代數據分析技術和監控系統，可以實時監測水電站的運行狀況，快速識別潛在問題，并采取適當的措施來預防故障。

水電站可靠性分析是一個復雜的過程，需要綜合考慮機械、電氣、水資源和人員管理等各個方面。通過不斷改進和維護，可以最大程度地減少停機時間，提高水電站的可靠性，確保可持續的電力供應。

1.1 可靠性

當在預定條件下使用時，產品或機械部件在預定時間內按預期工作的可能性稱為其可靠性。如果一個產品無論如何使用都始終表現良好，那么它就被認為是值得信賴的。因此，可靠性取決于時間，通常用R（t）表示。它是產品在時間t之前不會斷裂的可能性。在算法分析中，將故障率設置為α1=0.001，α2=0.002，α3=0.010，α4=0.004，α5=0.003，α6=0.002，并將所有修復率設置為零，以確定系統的可靠性。αi(i=1???6)分別表示，水庫故障率，水蒸氣故障率，渦輪機故障率，發電機故障率，廠房故障率，變壓器故障率。可以使用拉普拉斯方程來獲得可靠性表達式，可得

1.2 可利用性

組織的生產與系統可用性直接相關，一旦系統投入運行，就可以進行更多的生產。這是一種確定系統可靠性的方法，使用拉普拉斯逆變換，并設置α1=0.001，α2=0.002，α3=0.010，α4=0.004，α5=0.003，α6=0.002，ε1=1，ε2=1，ε3=1，ε4=1，ε5=1，ε6=1。εi(i=1???6)表示水庫故障修復率，水蒸汽故障修復率，渦輪機故障修復率，發電機故障修復率，廠房故障修復率，變壓器故障修復率。以確定系統在時間背景下的可用性，如下式：

1.3 平均故障間隔時間

平均無故障時間（MTTF）是水電站運行可靠性分析中的一個關鍵指標。它是指特定設備或系統在一段時間內平均運行多長時間，而不發生故障或需要維修。MTTF的應用在水電站可靠性分析中具有重要意義，具體表現如下：

1）預測設備壽命：通過分析設備的MTTF，水電站管理人員可以預測設備的壽命。這有助于制定設備更換或升級的計劃，以確保設備在達到其壽命終點之前不會出現嚴重故障。2）故障排查和改進：當設備的MTTF低于預期時，水電站運營團隊可以進行故障排查，找出導致故障的原因。這可以幫助他們采取改進措施，減少故障的發生，提高設備可靠性。3）資源規劃：MTTF數據還有助于水電站規劃維護和備件庫存。如果設備的MTTF較低，可能需要更頻繁的維護和更多的備件，以確保連續的電力生產。4）運營成本控制：通過提高設備和系統的MTTF，水電站可以降低維護和維修成本。減少不必要的停機時間可以提高發電效率，降低運營成本。5）可靠性改進：水電站管理可以使用MTTF數據來設定可靠性目標，并跟蹤實際性能與目標之間的差距。這有助于不斷改進運營和維護實踐，提高水電站的可靠性。

MTTF在水電站運行可靠性分析中起到了關鍵作用，它為管理人員提供了關于設備和系統性能的重要信息，有助于提高水電站的運行效率、降低成本，以及確保可持續的電力供應。通過不斷監測和改進MTTF，水電站可以更好地滿足電力需求并應對不斷變化的環境因素。

系統發生初始故障之前的時間稱為平均故障時間，將所有修復率設置為零并使用極限s→0將允許在方程中找到MTTF的表達式。其中s表示單位時間的收入和服務成本，系統的MTTF顯式表達式如下

當所有六個組件同時工作時，系統首次出現故障的時間如下所示，與故障率的差異有關。將方程中的故障率設置為0.001，0.002，0.010，0.004，0.003，0.002，然后將每個故障率從0.1逐漸更改為0.9。根據機組故障率的變化，系統的MTTF在圖1中更為明顯，這表明系統不會受到第三臺機組故障率增加的顯著影響。

圖1 水電站MTTF與故障率變化曲線

1.4 MTTF的靈敏度

MTTF靈敏度分析是水電站運行可靠性評估中的一項重要工作，該分析旨在確定系統可靠性對MTTF變化的敏感性，以便更好地理解系統在不同工作條件下的性能。

系統組成部分的影響，通過靈敏度分析，可以確定水電站不同組成部分對整個系統可靠性的貢獻程度。識別關鍵組件可以幫助管理人員集中精力和資源，加強對這些關鍵組件的監測和維護。維護策略的制定：靈敏度分析還可以指導制定維護策略。對于影響系統可靠性最大的組件，可以實施更頻繁和有針對性的維護，以提高其MTTF。相反，對于相對不太關鍵的組件，可以采取更靈活的維護計劃。應急準備和備件儲備：分析MTTF的靈敏度有助于確定哪些組件對系統的中斷產生最大影響。這可以指導備用設備和備件的儲備，以便在關鍵組件發生故障時能夠迅速替換，減少停機時間。系統改進和優化：通過了解MTTF對系統性能的影響，水電站管理團隊可以推動系統改進和優化。這可能包括技術升級、工藝改進或使用更可靠材料，以提高整個系統的可靠性。

靈敏度分析是水電站運行可靠性評估中的一項關鍵工具。通過深入了解系統各組件對整體可靠性的貢獻和敏感性，水電站管理團隊可以更有針對性地制定維護計劃、優化系統性能，并確保在各種條件下都能提供可靠的電力供應。本文對MTTF的失效率變化進行了敏感性分析。將故障率設置為0.001、0.002、0.010、0.004、0.003、0.002，并根據α1，α2，α3，α4，α5，α6區分MTTF。每個故障率應從0.1逐漸增加到0.9。仿真如圖2所示，MTTF對發電機組的故障率更敏感；一旦這個值發生微小變化，MTTF的靈敏度值就會急劇上升。

圖2 水電站MTTF靈敏度與故障率變化

2 水電站利潤評估

如果系統按預測運行，公司或生產廠商在任何給定時間可能估計的利潤，使用以下公式計算電站預計利潤。

當S1=1時，上式可寫為

得到了積分后的表達式

上式中，EP(t)表示估計利潤，S1，S2表示單位時間的收入和服務成本，P1(t)表示系統處于該狀態時的概率。圖6中系統的預測利潤隨著系統服務成本的上升而下降，因此，管理系統的服務成本以產生更多利潤是至關重要的。

圖6 實際和預測日前電價

3 結束語

本文采用馬爾可夫模型對水電站的可靠性進行了評估，故障率和修復率被視為常數。通過上述討論，可以得出以下結論：發電機組的故障率是MTTF高度敏感的因素；只要這個數值稍微改變，MTTF的靈敏度值就會急劇增加，因此，水電站的工程師應該更加重視系統的發電機組的維護，電站的運行主要受到該機組的影響。為了盡量減少系統干擾，該裝置應使用可靠的設備，及時的預防性維護將提高系統的性能。本研究對水電站可靠性工程具有十分有益的意義。