基于故障树的火电厂脱硝系统故障分析方法

魏 雄, 徐弘萱, 马佳军, 李光洁, 左健存

(上海第二工业大学计算机与信息工程学院,上海 201209)

0 引言

在我国能源消耗巨大的背景下, 未来很长一段时间内火力发电仍将是发电的主要方式之一。随着国家节能减排政策的出台,对火电厂污染物质的排放提出了新的标准,要求所有火电厂安装烟气脱硝装置。选择性催化还原法(selective catalytic reduction, SCR) 作为世界上应用最广泛、最有成效的烟气处理技术,在火电厂脱硝系统中发挥着重要作用。由于火电厂脱硝系统设备庞大、结构复杂, 且目前对脱硝系统的故障分析仍大多停留在主观性和经验性上, 很难快速准确地分析出系统的薄弱环节。火电厂脱硝系统在运行过程中出现的故障,若不能及时发现并处理,因故障引起的污染会对企业和社会造成巨大的危害。因此, 如何高效且准确地对故障进行判定对火电厂正常工作具有重要意义。

故障树分析法由美国贝尔电话实验室于1962年首次提出后,受到了国内外学者的广泛关注,在各领域进行了广泛的研究[1]。Dobrivoje 等[2]将故障树分析法运用于液压动力转向系统,对机械系统的故障进行分析并提出解决方案。Vencl 等[3]通过故障树分析法对滚动轴承的摩擦故障进行分析,找出轴承故障的根本原因,从而给维护工程师提供重要建议。李钦奉等[4]将故障树分析法对机床设备润滑系统进行了分析,并提出相应的措施来提高系统的可靠性。Wang 等[5]提出了采用故障树分析法对火箭发动机的可靠性进行分析,为解决发动机的故障提供了理论依据。但到目前为止,尚未有将故障树方法应用于火电厂脱硝系统故障分析的先例。

本文提出了使用故障树对火电厂脱硝系统进行故障分析的方法,并给出主要故障的应对方案,以提高系统的安全性和可靠性。

1 故障树分析方法

故障树分析法是一种逻辑框图方法,根据系统故障形成的原因由总体至部分按树状逐级细化分析。故障树分析法不仅能对系统的危险性进行辨识和评价,分析出故障的直接原因,还能深入揭示故障的潜在原因,从而准确、系统地实现对系统故障的预测和分析[6]。

故障树分析法是将系统中最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标,并找出引起顶事件发生的全部原因,然后进一步分析,直到找出产生故障的所有事件,并用相应的符号及逻辑门连接成逻辑因果关系图[7]。在故障树中, 其中顶事件表示故障树的分析目标,位于故障树的顶端。基本事件是导致其他事件发生的原因事件,位于故障树底端。中间事件是位于基本事件和顶事件之间的事件,由其他事件的逻辑组合引起的故障[8-9]。在故障树中各事件之间的关系如表1 所示。

表1 故障树中事件与逻辑关系表示法Tab.1 Logical relation representation

使用故障树分析法,可以分为3 个阶段,即建立故障树、定性与定量分析、以及制定预防措施。其分析过程如图1 所示。

图1 故障树分析过程Fig.1 Fault tree analysis process

具体步骤为:

(1)建立故障树。定义系统和系统故障,根据故障的危险程度,把对系统影响最大的故障作为分析对象, 即“顶事件”。然后分析故障原因, 如涉及制造、装配、运行、环境条件、人为因素等,最后根据资料分析建立故障树。

(2)定性和定量分析。其中定性分析主要是使用布尔代数定律和运算法则对故障树作等价简化,求出最小割集和结构重要度。定量分析则是通过对故障数据进行计算,得到顶事件发生概率及基本事件的重要度。

(3) 制定预防措施。对建立的故障树进行全面分析,确定系统的薄弱环节,制定相应防止灾害的措施,从而提高系统的安全性和可靠性,并为企业安全生产提供指导意见。

2 故障树建立

2.1 火电厂脱硝系统

20 世纪70 年代, 火电厂脱销系统首次应用于日本的工业锅炉。目前该技术已经在大多数国家得到了广泛的应用。SCR 脱硝原理是在催化剂作用下,利用还原剂NH3,在温度为200∼450 ℃时,“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无害的N2和H2O。SCR 烟气脱硝反应机理如图2 所示。

图2 SCR 脱硝反应机理Fig.2 Denitration reaction mechanism of SCR

在SCR 反应过程中,其主要的化学反应方程式为[10-12]:

根据上述的反应过程,脱硝系统主要由烟气系统、SCR 催化反系统、喷氨系统、液氨储存蒸发系统组成,如图3 所示。

图3 SCR 脱硝工艺流程Fig.3 SCR denitration process

烟气系统是指从锅炉尾部低温省煤器下部引出口至SCR 反应器本体入口、SCR 反应器、SCR 反应器本体出口至回转式空气预热器入口之间的连接烟道。烟气系统由膨胀节、导流板、烟道组成。

SCR 催化反系统是脱硝系统的核心设备,主要作用是装载催化剂, 提供烟气中的NOx与NH3在催化剂表面上生成N2和H2O 的场所,同时保证烟气流动的顺畅与气流分布均匀,为脱硝反应的顺利进行创造条件。SCR 催化反系统由带有加固肋的钢制塔体、烟气进出口、催化剂放置层、导流叶片、喷氨格栅、吹灰器组成。

喷氨系统是将液氨靠自身的压力从储氨罐输送到蒸发器,液氨在蒸发器中被加热蒸发成氨气,然后氨气进入氨气缓冲罐,从缓冲罐出来的氨气经过控制流量的控制阀后进入氨气/空气混合器。氨气与稀释风机过来的空气混合,浓度降低到一定的程度,再经过喷氨格栅注入到烟气中。喷氨系统包括稀释风机、氨控制阀、氨气/空气混合器、喷氨栅格及相应的辅助设施。

液氨储存蒸发系统利用卸氨压缩机将液氨由槽车输入储氨罐内,将储氨罐内的液氨输送到液氨蒸发器内蒸发为氨气,经氨气缓冲罐控制压力和流量后, 在混合器中与空气稀释混合均匀。液氨储存蒸发系统包括卸氨压缩机、储氨罐、液氨蒸发器、氨气稀释罐、废水泵、废水池等。

2.2 脱硝系统故障树

在SCR 脱硝系统中, 系统运行过程如下: 首先将液氨灌入到氨蒸发器里,通过压力调节阀进行减压,其次经过蒸发后产生的氨气再经过氨气缓冲槽,与来自稀释风机的空气在氨气/空气混合器中混合稀释,再次被稀释的氨气和烟气在进入SCR 前充分混合,最后混合均匀的混合气体经过喷氨格进入脱硝反应装置,经过催化剂作用从而将氮氧化物生成无毒害的氮和水[11]。

SCR 脱硝系统在运行过程中出现的失效模式主要为:脱硝系统积灰严重、稀释风机故障、脱硝效率下降和液氨存储爆炸。其中, 脱硝系统积灰严重是由烟气分布不均匀和导流板损坏等引起; 稀释风机故障的原因是震动大、轴承温度高和电动机启动故障等; 脱硝效率下降是由喷氨格栅堵塞致喷氨量不足、烟气温度低和催化剂失效等引起; 液氨存储爆炸的原因是蒸汽泄漏、通风不良、撞击火花、静电火花和库内吸烟等。

根据系统的主要失效模式以及所有事件之间的逻辑关系,自上而下逐层地对这些事件进行分析,直到找出产生故障的所有事件,并用事件符号及逻辑门连接, 最终获得的脱硝系统故障树, 如图4 所示。图中,T表示顶事件, 即火电厂脱硝系统故障,T1∼T17表示中间事件;X1∼X24表示基本事件。故障事件及其具体含义如表2 所示。

图4 脱硝系统故障树Fig.4 Fault tree of denitration system

表2 脱硝系统故障事件及其含义Tab.2 Denitration system fault events and meanings

3 定性分析

故障树的定性分析是通过使用布尔代数的有关定律和运算法则对故障树进行运算和分析,通过定性分析得出事件的发生规律及特点,并找出导致顶事件发生的所有故障。同时, 从故障树的结构上分析各基本事件的结构重要度,进而判断各事件在系统可靠性中的重要程度,最后根据结构重要度的大小分别采取措施。对故障树进行定性分析,需从最小割集和结构重要度两方面进行。

3.1 最小割集

割集是导致顶事件发生的基本事件的集合。而最小割集是引起顶事件发生的基本事件的最小组合,即表征这些基本事件集合的状态发生,则顶事件必定发生[8]。最小割集有助于理解事件之间的因果关系以及导致顶事件发生的原因,每个最小割集代表基本事件导致顶事件发生的可能途径[13]。对图4中的故障树使用布尔代数运算法则进行化简运算。其布尔表达式为

得出脱硝系统故障树的最小割集为:

即火电厂脱硝系统顶事件的发生有31 个最小割集,表明该系统存在许多能导致顶事件发生的故障。因此,必须对系统进行相关设计、改进和维护,以减少故障的发生。

3.2 结构重要度

在故障树的定性分析中, 结构重要度是最小割集的一种衡量指标,主要反映基本事件在故障树结构中的重要程度。对重要度大的基本事件进行改进,可以提高系统整体的可靠性。根据结构重要度判断法则,当最小割集中只含一个基本事件,则该基本事件的结构重要度最大。当最小割集的基本事件数不等,基本事件少的割集中的基本事件的结构重要度大。基本事件Xi的结构重要度Iϕ(Xi)的近似解可表示为[14]:

式中:k表示最小割集的总数;Ej表示第j个最小割集;nj表示第j个最小割集中的基本事件总数。

在分析基本事件的重要性时,需先计算事件的结构重要度,再根据重要度的大小进行排序,从而得出基本事件对顶事件的影响程度。通过对火电厂脱硝系统故障树的结构重要度计算,可得出基本事件X1∼X24的结构重要性顺序为:

通过式(4)对故障树的定性分析,得到了各基本的结构重要度顺序。其中储氨密封不良(X16)、储氨敞开(X17)、排风设备故障(X18) 和未定时检修设备(X19)对顶事件的影响较大。因此,在对火电厂脱硝系统故障的风险因素分析过程中,优先考虑对上述事件的分析。

4 定量分析

故障树分析中,除了从结构上进行定性分析外,还要运用数学方法即定量分析对系统的各项参数进行计算,从而为系统的安全评价和决策提供科学的依据[15]。定量分析是根据基本事件的发生概率计算顶事件的发生概率,以及计算基本事件的概率重要度,并以此为依据,综合考虑顶事件的故障严重程度,与预定的目标进行比较。如果得到的结果超过了允许目标,则必须采取相应的改进措施,使其降至允许值以下[16]。

4.1 顶事件故障率

在故障树分析中,顶事件的发生概率是评价系统是否可靠的一项重要指标。在火电厂脱硝系统故障树中,各基本事件相互独立,用逻辑“与”和“或”门相互连接,并与中间事件连接。“与”和“或”门对应顶事件发生概率P(T)的计算公式分别为[17]:

式中:P(Xi)表示基本事件的发生概率;n表示基本事件的个数。

根据专家经验得到基本事件的失效概率,如表3 所示。则故障树顶事件的失效概率为:P(T)≈0.0033。

表3 基本事件的概率Tab.3 Probability of basic events

4.2 概率重要度

故障树具有多个基本事件,而各个基本事件的重要性是由所代表的系统部件在系统中的位置或者作用不同决定的。因此, 基本事件在顶事件的发生中所做出的贡献称为该基本事件的重要度。而基本事件发生概率的变化引起顶事件发生概率的变化程度称为概率重要度。通过减小概率重要度值大的基本事件的发生概率,则可以降低系统故障的发生概率。由于顶事件发生概率函数是1 个复杂函数, 对自变量求偏导,可得该基本事件的概率重要度[18]:

根据表3 中基本事件的概率,通过式(5)∼(7)可以近似计算出图4 中各基本事件相应的概率重要度X1∼X25的顺序为:

由上述结果可见,概率重要度最大的基本事件为X5∼X7和X10∼X12,其次为基本事件X1,X8和X9。表明减小这些基本事件的发生概率能使顶事件的发生概率迅速减小,它比按照同样数值减小其他任何基本事件的发生概率都有效,则这些事件为系统相对薄弱的环节。

5 主要因素与应对措施

通过对故障树的定量分析,并根据张红星等[19]采用故障树分析法对尿素热解脱硝系统的进行可靠性分析, 以及陈崇明等[20]依靠人的主观性和经验性对脱硝系统进行故障诊断分析,可得脱硝系统发生的故障主要由事件轴承故障(X5)、联轴器不同心(X6)、风机轴变形(X7)、电动机启动故障(X10)、烟气温度低(X11)、催化剂失效(X12)引起,其次由事件烟气分布不均匀(X1)引起。针对以上故障,参照现有规范和标准,并结合以往的事故分析可提出以下解决方法:

(1)导致稀释风机故障主要原因是轴承故障、联轴器不同心、风机轴变形和电动机启动故障。轴承故障表现为轴承损坏、转子转速过大等, 可通过加强系统运行监视进行解决。联轴器不同心、风机轴变形是由联轴器安装不对、风机轴和电动机轴中心未对正等引起, 可通过对静、动平衡和同轴度校正来解决。电动机启动故障表现为开关的接触器性能差、电动机绕组故障等, 可通过加强对电动机日常的维护和检修实现对接触头的及时调整。

(2)导致脱硝效率低的主要原因是烟气温度低和催化剂失效。烟气温度低由锅炉的启动、停炉、主燃料跳闸或辅机故障等导致,可通过在锅炉启动时迅速提温, 停炉后及时停止喷氨进行解决。催化剂失效是由催化剂中毒和催化剂堵塞引起。防止催化剂中毒,应避免催化剂与液体产生接触或在不恰当的温度区间运行等; 而防止催化剂堵塞应改进反应器入口的烟道结构,从而改善烟气流速及流场,减少烟气中的烟尘沉降。

(3)导致脱硝系统积灰的主要原因是烟气分布不均匀, 表现为催化剂入口面烟气流场不均匀。可通过改善导流和整流装置,从而调节喷氨格栅入口的烟气分布均匀度,提高飞灰颗粒分布均匀度。

6 结语

本文提出了一种基于故障树的火电厂脱硝系统故障分析方法。建立了以SCR 脱硝系统为顶事件,以脱硝系统积灰严重、稀释风机故障、脱硝效率下降、液氨存储爆炸为中间事件的主要失效模式的故障树, 全面、准确地表达了系统各组成单元直接的逻辑关系。同时对建立的故障树进行了定性和定量分析,找出了影响系统安全性的薄弱环节,并对脱硝系统的设计、改进和维护提出了意见,从而指导企业的工作人员有效地防范事故、消除安全隐患。