应用FMA失效分析提升机组可靠性的实践

大唐宝鸡第二发电有限责任公司 陈小强

根据中电联发布的可靠性年度报告，300MW以上火电机组年度非停次数在0.5次/台年徘徊，汽轮机本体故障引发的非停占比达到11.61%，是除锅炉以外第二大非停影响因素。在汽轮机本体故障非停中，汽轮机高压缸故障占比1.2%，也是排名第二位的影响因素。分析非停因素可以看出，火电机组可靠性不能得到有效提升的原因在于，整机系统可靠性未能随近年来火电主、辅机设备制造技术发展、单一设备制造水平和可靠性的不断提升而有效进步，设备和系统交叉点等综合性问题在火电机组实际可靠性管理中还有较大提升空间。

失效分析（FMA）是一种用来研究引发问题的潜在失效及其产生原因，进而通过管理等手段提升可靠性的方法[1]。应用于火电厂这种持续进行的生产线模式，就是通过分析管理、组织与制度、人员因素、物品因素等存在的达不到预定寿命或预设管控能力的一种实用性管控方法，达到既提升可靠性又避免过度投入的目标，以适应当前市场形势下火电企业经营需求。

某公司装机4×300MW亚临界湿冷汽轮发电机组，已在役运行近20年，采用东方系列锅炉、汽轮机和发电机，国电智深DCS系统。其中，汽轮机曾进行高中压缸通流改造，汽轮发电机组热耗率处于同类型机组较好水平，年等效利用系数连续超年度计划、平均非停次数处于火电机组先进水平，表明该公司管理失效与组织失效方面得到了有效控制，处于低频度。但实际上通过一起强迫停运事件深入分析看出，无论管理、组织或制度、人员因素、物品因素仍然存在失效风险。

1 应用失效分析进行非计划停运事件分析的必要性与模式

1.1 必要性在于非计划停运造成较大的经济损失和可靠性、经济性绩效评价指标损失

一是直接经济损失（以极热态启动点火到并网、报调管阶段直接费用计算）。燃煤消耗：统计值消耗原煤500吨，按平均入炉煤低位发热量18.5MJ/kg计算，折合标煤316吨标煤，按标煤单价1000元/吨计算，燃煤成本31.6万元。燃油消耗：极热态启动，为控制主汽温度尽快满足冲转需求，需投入高位的大油枪系统助燃，需消耗0号柴油25吨左右，按油价4200元/吨计算，燃油成本10.5万元。蒸汽成本：给水泵汽轮机、除氧器加热、辅汽供轴封系统合计用汽115吨，按120元/吨蒸汽售价计算，蒸汽成本1.38万元。耗电成本：极热态激动总耗厂用电40000kWh左右，按单价0.4元/kWh计算，耗电成本1.6万元。基本费用成本44.5万元，加其他原水消耗、除盐水消耗等，合计记作50万元/次。

二是损失电量收益。按平均负荷率70%计算，从灭火到缺陷消除完成点火需要N小时，则总损失电量=N×70%×30=2.1N万kWh，按缺陷消除需要2小时计算，损失电量造成间接损失1.68万元。

三是其他间接损失。年度等效可用系数下降0.05%，年度供电煤耗上升0.26g/kWh，公司可靠性评价指标和经济性评价指标均受到明显影响，一方面影响集团对公司的绩效评级，另一方面绩效评级下降会直接影响员工年平均收益。

1.2 应用失效分析进行非计划停运事件分析的模式

火电生产从燃料到产品连续性完成的性质，决定了任一不安全事件都是由于各种因素叠加产生。因此，在查明某次非计划停运的直接原因时，应该进行流程重建，把问题放在管理流程、生产流程当中去分析，才能最大限度查找原因，以提升整体可靠性水平。

一是建立引起事件的关键环节流程。二是对每一个关键流程点进行失效性质分析（包括管理失效、组织制度失效、人因失效、物因失效）。三是针对失效性质，对照失效模式库进行失效模式分析，再进行扩展分析，检查是否存在触发同类失效模式的其他原因，综合制定改进措施。四是针对失效点失效模式，进行发生概率和改进措施成本评价，确定整改计划、整改方案、整改时间。五是对整改后的系统可靠性进行评估。

图1

2 调节级压力故障引发非计划停运的案例分析

2.1 事件现象

20:16:57，机组负荷291MW，AGC方式，磨煤机BCDEF运行，机组运行稳定，调节级压力由10.03MPa突降至3.60MPa，汽泵AB转速指令由4655/4657rpm突降至3576/3578rpm。3.6MPa对应给水流量需求为276T/h，实际汽泵AB出口流量由480t/h迅速下降至0，汽包水位快速下降，立即减负荷并投入机组深调模式扩展水位，启动电泵加转速。20:18:31，汽包水位-314mm，锅炉MFT保护动作，机组跳闸。

图2

2.2 原因分析

2.2.1 调节级压力突降原因

测点引压管法兰密封发生泄漏，引起引压管螺纹接头爆裂，致使调节级压力突降。调节级压力取样管关键部位技术参数：高压内缸测压孔直径φ19.8mm。法兰齿形垫φ38×3.5，材质12CrMoG代用GF101678，配件出厂检验合格，有合格证。爆裂的引压管螺纹接头材质12Cr1MoVA，螺纹规格M39×2，螺纹长度36mm。经过光谱分析：调速级测压管螺纹部分材质确为12Cr1MoVA，符合设计要求。

发现的问题包括：一是检查残留测压管件发现螺纹部分可见3处1～3mm的空洞。二是测压管内壁存在较深的切削痕迹，形成了应力集中源。三是查阅手册，M39×2的外螺纹的小径为37mm，测量内壁直径为32mm，通过计算，最薄弱处（牙底处）厚度仅剩余2.5mm的壁厚，且内壁存在较深的粗糙的切削刀具痕迹，进一步降低有效壁厚。

2.2.2 调节级压力取样管泄漏原因

测压管与调节级后高压内缸连接方式为焊接方式，穿过高压外缸处为螺栓结构，取样管道布置不合理，在机组启停或频繁深度调峰引起机组内外缸温差大存在温差应力的情况下，取样管结构未能有效避开其他固定件约束，产生局部应力集中，调峰深度大、调峰频次高的情况下，应力集中部位易发生疲劳，在A修后300天以内发生局部减薄或裂纹，最终引发泄漏。

2.2.3 主给水流量突降原因

大型汽轮机主蒸汽管道管径较大，压力高温度高，装设节流件进行主汽流量监测，会造成节流损失过大，机组整体经济性影响很大。因此，一般大型汽轮机主汽流量根据弗留格尔公式（即多级汽轮机变工况运行排汽口未达到临界状态时，通过汽轮机的蒸汽流量与级组前后压力平方差的平方根成正比），因为机组排汽压力变化幅度较小，工业应用上忽略其影响不会产生较大误差，所以由汽轮机厂家给出的“调节级压力与主汽流量关系曲线”作为主汽流量模拟计算的依据[2]，即：

其中G——主汽流量；

P0——调节级压力；

T——调节级绝对温度。

2.2.4 汽包水位突降原因

当调节级压力测点或管线发生故障时，汽轮机调节级压力由14.03MPa突降至3.60MPa甚至更低。根据汽包水位三冲量调节逻辑，在水位作为主调目标的同时，以给水量和主汽流量作为主汽流量突降将瞬时附加一个较大的前馈减给水量指令，以确保汽包水位平衡，造成给水流量突降至0，而汽包输出的实际主汽流量未变情况下，汽包补水流量突降，按汽包水位0线（低于汽包中心线100mm）以下-250mm锅炉MFT的水位低低保护设置，不同负荷下18～25s内均会发生锅炉MFT跳闸。

2.2.5 失效模式流程分析

从图3可以看出，在整个故障发生的可控流程中[3]，至少有一个管理失效问题，两个组织或制度失效问题，一个人员因素失效问题，四个物品因素失效问题。按发生概率分析，1、6、7项失效点概率较大，3、4、5失效点概率较小。按整改难度分析，3、4、6失效点容易彻底治理，2、7、8失效点彻底治理难度较大。

图3

2.3 其他隐患可能性拓展分析

2.3.1 引压管结构隐患

一是考虑频繁深调引起内外缸温差波动对间隔内管道膨胀要求，存在可能性较高，整改难度一般。二是考虑引压管热膨胀结构有无应力集中区域，存在可能性高，整改难度一般。是引压管膨胀后有无与其他结构碰麼可能，存在可能性低，整改难度一般。四是引压管穿过外缸处密封结构磨损，存在可能性低，更改难度高。五是引压管材料有无基础性隐患和材质不合格问题，存在可能性一般，整改难度低。

表1 记录高压调节级压力、一段抽汽压力与主汽流量数据表

2.3.2 压力测点误动隐患

一是DCS系统DPU板件有无冗余设置，存在可能性低，整改难度高。二是DCS系统调节级压力是否通过“三取二”等方式实现冗余配置，存在可能性低，整改难度高。三是取压管路是否与测量回路一样采用了独立的冗余结构，存在可能性低，整改难度一般。四是否有其他干扰因素可能诱发误报，存在可能性低，整改难度高。

2.3.3 测点误动后的事故扩大隐患

查阅DCS逻辑控制系统，以主汽流量作为输入信号的调节器应用共9处，其中影响较大的是给水自动控制系统和协调控制系统、锅炉热量控制系统等。其中，协调控制方面和锅炉热量控制系统均造成热负荷计算值增加，进而产生与现有电负荷指令不匹配，AGC方式运行时均会造成锅炉主动减负荷，但由于电负荷稳定及热量平衡系统综合判断，CCS方式会产生自动拉回作用，不会造成极端危险工况。存在可能性较低，整改难度一般。

2.4 失效点管控提升措施

基于上述几个关键点失效分析以及衍生的失效危害，制定管理提升措施。

2.4.1 针对技改中新技术应用的管理失效

一是提升技术改造管理水平，对第三方可研报告进行认真审核，落实岗位责任和问题追究机制。二是对新技术应用进行重点审查，包括原理、工艺、材质等，列入年度可靠性重点管控项目。

2.4.2 针对三级验收未发现问题的组织失效

一是提升项目监理责任制落实，监理合同监理质保金制度。二是A修期间必须安排对调节级压力引压管进行金属监督检查，确保管材质量处于稳定可靠期，否则对缸内部分进行整体换管。

2.4.3 针对主汽流量突变引发给水流量突变、逻辑设计上该处风险评估不足的组织失效

一是增加调节级压力突变抑制回路，监测到5s内变化值大于门槛值，切换至备用回路。二是以一段抽汽压力为基础，结合调节级压力曲线，测算函数，（ki为一段抽汽压力对应主汽流量模拟曲线），实现保护冗余。

分析上述模拟测点，相对误差4%以内，额定工况下最大绝对偏差25t/h，可满足自动调节系统和监视需要。

2.4.4 针对给水流量突降、汽包水位引发MFT的人因失效

一是强化技术培训，提升监盘质量，提升复杂情况下的分析判断和事故处理能力。二是DCS上增加主汽流量突变报警，提醒人员第一时间发现并处理。

2.4.5 针对四点物因失效

一是改善工艺设计，避免膨胀受限引起的局部应力集中；二是完成引压管特别是弯管、穿缸等重点区域材质金属检测，确保应用中的管材处于寿命可控范围内；三是综合分析评估，鉴于缸内引压管路布置难度，不考虑增加独立冗余引压管路；四是利用一段抽汽压力折算流量设置，降低调节级压力与主汽流量强关联性，提升可靠性。

2.5 整改后的系统可靠性评价

落实上述措施后，该公司4台机组彻底杜绝了此类非停。受厂家结构设计原因（未到大修周期无法彻底改造引压管路）影响发生引压管泄漏的极端情况下也能利用压力保护回路的可靠冗余，避免了非计划停运事件的发生。

3 结论

通过FMA法进行系统性分析与治理，能扩大和发散非计划停运事件的调查思路，提升失效问题分析的准确性，有助于在经济性与可靠性均衡中取得最有效的整改措施和方案，有效提升机组可靠性管理水平。同时，促进各级技术人员、管理人员从管理、组织、制度、人员、设备方面正确认识失效模式，从定期维护、检修工艺、技术监督等方面提升可靠性管理意识，确保了机组长周期稳定运行，实现4台机组零非停1000d，其中3号机获得2019年度可靠性标杆机组称号。