船舶核动力装置汽水分离再热器可靠性建模与预计研究

焦文健，姚玉南，卢嘉伟，张 维，安 邦

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

在节能减排的大环境下，开展民用核动力船舶的研究是实现航运业零排放的一种有益尝试。汽水分离再热器(简称MSR)是核动力装置二回路的关键设备，汽水分离再热器的主要功能是在规定的工作参数下，安全可靠的将高压缸排出的混合蒸汽进行分离和再热，使蒸汽达到低压缸进口参数要求，从而提高机组效率。本文中的汽水分离再热器是新型立式结构，并以相关成熟技术为基础进行设计。该立式汽水分离再热器，由5个部件组成，分别是筒体、预分离组件、汽水分离组件、再热器组件、封头。高压缸出来的主蒸汽从筒体一侧进入汽水分离再热器壳体后，依次经过预分离器、汽水分离器，分离出来的水分在重力的作用下通过水槽和疏水管排入分离器的疏水罐。经过汽水分离作用后出来的蒸汽进入再热器组件进行再热，从MSR筒体的另一侧流出，进入低压缸。

可靠性分析基础工作是可靠性建模，可靠性模型也是对设备进行可靠性分析、可靠性设计的重要组成部分，也是设备进行“六性分析”的重要工作项目之一。本文根据GJB 813—1990标准规定的程序和要求，从汽水分离再热器的结构、功能和任务剖面的分析入手，建立了其可靠性模型以及相应的数学模型，为进行故障模式、影响及危害性分析(FMECA)、故障树分析(FTA)和可靠性预计及分配提供重要依据。

1 可靠性建模与预计流程

在设备研制阶段的早期需要对其进行可靠性建模和预计，定量分配、预计和评估设备的可靠性，并随着研制工作的进展与设计的更改，不断细化和修正，反复迭代进行。

汽水分离再热器可靠性建模与预计的步骤如下：定义汽水分离再热器，建立汽水分离再热器物理模型，建立汽水分离再热器数学模型，确定汽水分离再热器各组件可靠性参数，最后计算汽水分离再热器可靠性值，得出可靠性预计结论反馈设计，编写汽水分离再热器可靠性建模与预计报告[1-4]。如图1所示。

图1 可靠型建模与预计程序

根据现有的可靠性预计的方法，结合汽水分离再热器(MSR)在设计过程中的实际情况，制定汽水分离再热器的可靠性预计流程，如图2所示。

图2 汽水分离再热器可靠性预计流程图

2 汽水分离再热器结构及功能分析

汽水分离再热器的设计为立式结构，整个汽水分离再热器主要部件有5个部分，分别是筒体、预分离组件、汽水分离组件、再热器组件、封头(上封头和下封头)。筒体主要功能是为汽水分离形成一个密闭的空间，预分离器部件功能是对高速蒸汽混合物器一定的阻碍作用，使其沿预分离器周向流动绕过预分离器，使蒸汽混合物可以更加均匀的进入波形分离器。汽水分离器主要部件是波形分离器，湿蒸汽在分离器组件内多次的改变流动方向，蒸汽中的水滴在惯性和重力作用下，与蒸汽分离后沿着板壁流向底部，从底部排出。再热器为立式结构，加热蒸汽从管内由MSR顶部进入，流过加热器与换热器后被凝结成水，由管内壁流到管束集水区。分离器出来的湿蒸汽横向冲刷再热器传热管束，与管内蒸汽进行换热过程后，变成过热蒸汽，流出汽水分离再热器。

因此,MSR的功能有如下2点。

1)汽水分离。 由汽轮机组的高压缸输入的混合蒸汽，经过预分离组件和汽水分离组件进行汽水分离，经过这2个部件后，混合蒸汽除去98%的水分。

2)蒸汽干燥与过热。经过汽水分离组件后的混合蒸汽，进入再热器组件，湿蒸汽横向冲刷再热器传热管束，与管内蒸汽进行换热过程后，变成过热蒸汽。

MSR的功能框图如图3所示。

图3 MSR功能框图

MSR最佳热力性能是受高、低压缸的参数支配的，汽轮机及相关辅机应与它一同进行汽轮机系统热平衡优化，以获得最佳的汽水分离再热器参数[5]。

在汽水分离再热的过程中，选取蒸汽湿度以及蒸汽的温度两个参数来反映汽水分离再热器工作的任务剖面，MSR任务剖面如图4所示。α1、α2、α3为经过各组件后的湿度；T1、T2、T3、T4、T5为经过各组件后的温度。

图4 MSR任务剖面

任务剖面的描述主要选取的是高压缸出来的主蒸汽经历的时序变化，即在经过各个部件后，其湿度和温度的变化情况。

3 汽水分离再热器可靠性模型

3.1 可靠性物理模型

基本可靠性与规定的条件有关，即设备的工作环境条件、应力条件、寿命周期等，也就是与“寿命周期”确定的条件。

决定设备基本可靠性的是设备在整个寿命周期内发生的所有的需要维修或更换的故障，而不局限于发生在任务周期内。因此物理模型采用全串联模型。MSR的基本可靠性框图如图5所示。

图5 MSR的基本可靠性框图

根据上文对汽水分离再热器的功能以及任务剖面的分析，确定汽水分离再热器的任务可靠性模型为串联模型。MSR的任务可靠性模型同图5一样。

3.2 可靠性数学模型

可靠性数学模型从数学上建立可靠性框图与事件、事件和故障率数据的关系。用数学表达式表示设备各单元与系统之间的可靠性函数关系，以此来求解设备的可靠性值。

建立汽水分离再热器的基本可靠性模型时，由于其可靠性框图是各单元的串联，因此，汽水分离再热器的可靠性数学模型是按照串联的逻辑关系，由各组件的可靠性参数计算系统的可靠性值。

MSR的基本可靠性模型为：

(1)

式中：Rs(t)为MSR的可靠度；Ri(t)为第i个组件的可靠度。

(2)

(3)

式中：λs为汽水分离再热器的故障率；λMi为汽水分离再热器第i个部件的故障率；TBFs为汽水分离再热器的平均故障间隔时间。

根据汽水分离再热器的特点，选择普通概率法进行任务可靠性数学模型的建立。

MSR的任务可靠性模型为：

(4)

式中：Rs(t)为MSR的可靠度；Ri(t)为各组件的可靠度。

(5)

(6)

式中：λs为汽水分离再热器的故障率；λMi为汽水分离再热器第i个部件的故障率；TBFs为汽水分离再热器的平均故障间隔时间。

4 可靠性预计

4.1 参数获取

对于汽水分离再热器的再热器单元，需要综合考虑环境因子K、降额因子D，从而更真实的计算出再热器组件的故障率。因此计算汽水分离再热器的实际故障率公式为：

λ=λb·K·D，

(7)

式中：λ为工作故障率，10-6/h；λb为基本故障率，10-6/h；K为环境因子；D为降额因子。

目前可选取的可靠性数据手册是美国可靠性分析中心的《非电子零部件可靠性数据》，其中包括了电气、机械、机电、液压机旋转装置故障率，引用到我国的可靠性预计时需要进行修正。汽水分离再热器属于核电设备，其可靠性数据可同时参考《中国核电厂设备可靠性数据报告(2015版)》，由此获得再热器的基本故障率。环境因子的选取主要参考GJB/Z 299C《电子设备可靠性预计手册》，降额因子的选取依靠工程经验。

再热器故障率计算过程如下：

λ=λb·K·D=10.08×10-7/h，

对于无法获得基本故障率的部件，采用评分预计法进行计算。其通常考虑的因素有：复杂程度、技术水平、工作时间以及环境条件。评分的原则以故障率为预计参数说明评分标准，各种因素分的分数值可设置为1～10分，具体如图6所示。

图6 评分预计流程图

计算模型如下：

已知某单元的故障率为λ*，则其他单元的故障率λi为：

λ*=λi·Ci，

(9)

式中：i=1，2，…，n，n为单元数；Ci为第i个单元的评分系数。

Ci=ωi/ω*，

(10)

式中：ωi为第i个部件单元评分数：ω*为故障率为λ*的部件的评分数。

(11)

式中：rij为第i个单元，第j个因素的评分数；j=1为复杂度；j=2为技术水平；j=3为工作时间；j=4为环境条件。

汽水分离再热器其他组件的故障率计算结果，如表1所示。

表1 MSR部件故障率评分预计结果

由故障率预计法获取到再热器组件的工作故障率，再由评分预计法获得到其他组件的故障率，得出汽水分离再热器5个组件的故障率，如表2。

表2 MSR基本信息和故障率

4.2 综合预计

首先，根据基本可靠性模型计算汽水分离再热器的故障率λs：

再由基本可靠性模型计算出汽水分离再热器平均故障间隔时间MTBF:

假设汽水分离再热器各组成部分寿命均服从指数分布，故根据其任务可靠性模型计算其可靠度：

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

汽水分离再热器的可靠性预计结果为：MTBF为335 795.836 h，达到了该设备的基本可靠性规定值要求(MTBF=40 a)；当设备运行到2 000 h时，设备的可靠度为0.994 0，也达到了设备任务可靠性规定值的要求(Rm(2 000)=0.9)。

其中薄弱环节存在于再热器组件，其故障率占整个设备的故障率的33.8%，如果需要提高MSR的可靠性，需考虑改变设计方案，选择可靠性水平更高的组件或者改进设计提高再热器组件的可靠性。

5 结束语

1)本文介绍了船舶核动力装置立式稳压器的构成和功能，通过任务剖面和环境剖面分析了核动力设备汽水分离再热器的功能要求；根据GJB 813—1990中可靠性建模的方法和步骤，并参考型号系统可靠性建模与预计应用指南以及型号可靠性工程预计手册，分别建立了其基本可靠性框图和任务可靠性框图，最后根据相应框图建立了其基本可靠性数学模型和任务可靠性数学模型，为汽水分离再热器详细的可靠性分析工作奠定了基础。

2)对汽水分离再热器进行乐可靠性预计，先通过《非电子零部件可靠性数据》《中国核电厂设备可靠性数据报告(2015版)》两个文件查到汽水分离再热器部分部件的故障率，采用故障率预计法选取相关系数进行一定的修正；对于不能直获取到故障率的部件，采取评分预计法得到其故障率，最后以部件的故障率为基础，依据汽水分离再热器的可靠性模型，对其进行预计，计算得到设备的总故障率，可靠度等参数，依据参数对汽水分离再热器的设计进行分析并提出建议。

[1]龚庆祥. 型号可靠性工程手册[M].北京：国防工业出版社， 2007.

[2]谢少锋， 张增照， 聂国健. 可靠性设计[M].北京：电子工业出版社， 2015.

[3] 康锐， 石荣德， 李瑞莹. 型号可靠性维修性保障性技术规范：第2册[M].北京：国防工业出版社， 2010.

[4]装备可靠性工作通用要求：GJB 450A—2004[S].

[5]牛忠华. 核电机组汽水分离再热器的研制[J]. 装备机械，2013(3):44-48.