基于水电站运行可靠性能评估

詹君萌 柏长青 金强刚

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司）

0 引言

为了提高水电站的性能和降低经济损失，引起发电厂停电的经常性故障需要维修和预防性维护。使用维护和维修技术的正确组合，可以降低发电厂的维护成本和停机损失。在最坏的情况下，系统或设备的缺失会影响整个工厂，这可能导致工厂跳闸。然而，在大多数情况下，系统或设备的故障可能不会对整个工厂产生重大影响。

在这种情况下，系统的可靠性会下降，其他系统的可靠性也会受到影响。为了将可靠性维持到一定水平，关键性水平决定了设备或系统的重要性以及最佳适用的维护和维修计划［1-3］。

1 水电站性能研究

水电站运行可靠性分析是确保水电站高效运行和减少停机时间的关键工作。这种分析主要集中在以下几个方面：

1）设备可靠性：水电站的机械设备，如涡轮机、发电机和变压器，必须保持高度可靠，以确保稳定的发电。通过对设备的定期检查、维护和监测，可以降低设备故障的风险。2）电气系统可靠性：电气系统的稳定性对于水电站的运行至关重要。分析电气系统的可靠性，包括开关设备、控制系统和保护装置，以确保它们可以在需要时快速响应，防止电力中断。3）水资源可靠性：水电站依赖水源来产生电力。因此，水资源的可靠性分析涉及对降雨、水库水位和流量等方面的监测，以确保水资源的可用性。4）系统维护和人员培训：定期维护和员工培训对于水电站的可靠性至关重要。保持设备和系统在最佳状态，以及为员工提供必要的技能和知识，可以减少意外停机和提高可靠性。5）备用能力：水电站应具备备用能力，以应对突发情况和维护需求。备用设备和备用电力源的准备可以确保在需要时保持电力供应。6）数据分析和监控：使用现代数据分析技术和监控系统，可以实时监测水电站的运行状况，快速识别潜在问题，并采取适当的措施来预防故障。

水电站可靠性分析是一个复杂的过程，需要综合考虑机械、电气、水资源和人员管理等各个方面。通过不断改进和维护，可以最大程度地减少停机时间，提高水电站的可靠性，确保可持续的电力供应。

1.1 可靠性

当在预定条件下使用时，产品或机械部件在预定时间内按预期工作的可能性称为其可靠性。如果一个产品无论如何使用都始终表现良好，那么它就被认为是值得信赖的。因此，可靠性取决于时间，通常用R（t）表示。它是产品在时间t之前不会断裂的可能性。在算法分析中，将故障率设置为α1=0.001，α2=0.002，α3=0.010，α4=0.004，α5=0.003，α6=0.002，并将所有修复率设置为零，以确定系统的可靠性。αi(i=1⋅⋅⋅6)分别表示，水库故障率，水蒸气故障率，涡轮机故障率，发电机故障率，厂房故障率，变压器故障率。可以使用拉普拉斯方程来获得可靠性表达式，可得

1.2 可利用性

组织的生产与系统可用性直接相关，一旦系统投入运行，就可以进行更多的生产。这是一种确定系统可靠性的方法，使用拉普拉斯逆变换，并设置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)表示水库故障修复率，水蒸汽故障修复率，涡轮机故障修复率，发电机故障修复率，厂房故障修复率，变压器故障修复率。以确定系统在时间背景下的可用性，如下式：

1.3 平均故障间隔时间

平均无故障时间（MTTF）是水电站运行可靠性分析中的一个关键指标。它是指特定设备或系统在一段时间内平均运行多长时间，而不发生故障或需要维修。MTTF的应用在水电站可靠性分析中具有重要意义，具体表现如下：

1）预测设备寿命：通过分析设备的MTTF，水电站管理人员可以预测设备的寿命。这有助于制定设备更换或升级的计划，以确保设备在达到其寿命终点之前不会出现严重故障。2）故障排查和改进：当设备的MTTF低于预期时，水电站运营团队可以进行故障排查，找出导致故障的原因。这可以帮助他们采取改进措施，减少故障的发生，提高设备可靠性。3）资源规划：MTTF数据还有助于水电站规划维护和备件库存。如果设备的MTTF较低，可能需要更频繁的维护和更多的备件，以确保连续的电力生产。4）运营成本控制：通过提高设备和系统的MTTF，水电站可以降低维护和维修成本。减少不必要的停机时间可以提高发电效率，降低运营成本。5）可靠性改进：水电站管理可以使用MTTF数据来设定可靠性目标，并跟踪实际性能与目标之间的差距。这有助于不断改进运营和维护实践，提高水电站的可靠性。

MTTF在水电站运行可靠性分析中起到了关键作用，它为管理人员提供了关于设备和系统性能的重要信息，有助于提高水电站的运行效率、降低成本，以及确保可持续的电力供应。通过不断监测和改进MTTF，水电站可以更好地满足电力需求并应对不断变化的环境因素。

系统发生初始故障之前的时间称为平均故障时间，将所有修复率设置为零并使用极限s→0将允许在方程中找到MTTF的表达式。其中s表示单位时间的收入和服务成本，系统的MTTF显式表达式如下

当所有六个组件同时工作时，系统首次出现故障的时间如下所示，与故障率的差异有关。将方程中的故障率设置为0.001，0.002，0.010，0.004，0.003，0.002，然后将每个故障率从0.1逐渐更改为0.9。根据机组故障率的变化，系统的MTTF在图1中更为明显，这表明系统不会受到第三台机组故障率增加的显著影响。

图1 水电站MTTF与故障率变化曲线

1.4 MTTF的灵敏度

MTTF灵敏度分析是水电站运行可靠性评估中的一项重要工作，该分析旨在确定系统可靠性对MTTF变化的敏感性，以便更好地理解系统在不同工作条件下的性能。

系统组成部分的影响，通过灵敏度分析，可以确定水电站不同组成部分对整个系统可靠性的贡献程度。识别关键组件可以帮助管理人员集中精力和资源，加强对这些关键组件的监测和维护。维护策略的制定：灵敏度分析还可以指导制定维护策略。对于影响系统可靠性最大的组件，可以实施更频繁和有针对性的维护，以提高其MTTF。相反，对于相对不太关键的组件，可以采取更灵活的维护计划。应急准备和备件储备：分析MTTF的灵敏度有助于确定哪些组件对系统的中断产生最大影响。这可以指导备用设备和备件的储备，以便在关键组件发生故障时能够迅速替换，减少停机时间。系统改进和优化：通过了解MTTF对系统性能的影响，水电站管理团队可以推动系统改进和优化。这可能包括技术升级、工艺改进或使用更可靠材料，以提高整个系统的可靠性。

灵敏度分析是水电站运行可靠性评估中的一项关键工具。通过深入了解系统各组件对整体可靠性的贡献和敏感性，水电站管理团队可以更有针对性地制定维护计划、优化系统性能，并确保在各种条件下都能提供可靠的电力供应。本文对MTTF的失效率变化进行了敏感性分析。将故障率设置为0.001、0.002、0.010、0.004、0.003、0.002，并根据α1，α2，α3，α4，α5，α6区分MTTF。每个故障率应从0.1逐渐增加到0.9。仿真如图2所示，MTTF对发电机组的故障率更敏感；一旦这个值发生微小变化，MTTF的灵敏度值就会急剧上升。

图2 水电站MTTF灵敏度与故障率变化

2 水电站利润评估

如果系统按预测运行，公司或生产厂商在任何给定时间可能估计的利润，使用以下公式计算电站预计利润。

当S1=1时，上式可写为

得到了积分后的表达式

上式中，EP(t)表示估计利润，S1，S2表示单位时间的收入和服务成本，P1(t)表示系统处于该状态时的概率。图6中系统的预测利润随着系统服务成本的上升而下降，因此，管理系统的服务成本以产生更多利润是至关重要的。

图6 实际和预测日前电价

3 结束语

本文采用马尔可夫模型对水电站的可靠性进行了评估，故障率和修复率被视为常数。通过上述讨论，可以得出以下结论：发电机组的故障率是MTTF高度敏感的因素；只要这个数值稍微改变，MTTF的灵敏度值就会急剧增加，因此，水电站的工程师应该更加重视系统的发电机组的维护，电站的运行主要受到该机组的影响。为了尽量减少系统干扰，该装置应使用可靠的设备，及时的预防性维护将提高系统的性能。本研究对水电站可靠性工程具有十分有益的意义。