核電廠基于設(shè)備可靠性和價(jià)值的精益運(yùn)維技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用

任合斌，田輝宇，鄒 暉，孔祥海

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

隨著國(guó)內(nèi)電力體制改革持續(xù)深化，受市場(chǎng)形勢(shì)影響，核能發(fā)電成本面臨外部競(jìng)價(jià)上網(wǎng)壓力，在企業(yè)內(nèi)部面臨降本增效等考核要求，同時(shí)為履行核能發(fā)電的安全性和經(jīng)濟(jì)性的承諾，在確保核電廠安全發(fā)電的前提下，需電廠持續(xù)提升自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，提升電廠設(shè)備可靠性管理水平。國(guó)際上美國(guó)核電行業(yè)于2016年發(fā)起了核電廠提升效率公告(EB16-16)，以期進(jìn)一步降低核電廠運(yùn)營(yíng)成本，該公告認(rèn)為電廠在非關(guān)鍵設(shè)備上執(zhí)行了大量的高成本、高頻度和高資源占用的預(yù)防性維修活動(dòng)，卻沒(méi)有取得相應(yīng)的可靠性回報(bào)。因此識(shí)別非關(guān)鍵設(shè)備的高成本預(yù)防性維修活動(dòng)，對(duì)于設(shè)備可靠性方面的收益，將有助于對(duì)PM(預(yù)防性維修)的工作內(nèi)容、工作頻率或設(shè)備分級(jí)的優(yōu)化。聚焦于高成本的非關(guān)鍵預(yù)防性維修活動(dòng)將使電廠年度實(shí)際維修成本得到迅速的降低。

國(guó)內(nèi)核電行業(yè)以CPR1000壓水堆為例，單機(jī)組設(shè)備總臺(tái)套數(shù)約10萬(wàn)臺(tái)，其中約8.17%的設(shè)備為關(guān)鍵設(shè)備(C類(lèi)：Critical)，約11.76%的設(shè)備為安全重要設(shè)備(S類(lèi):Significant)，對(duì)于其他約80.07%非關(guān)鍵重要設(shè)備(E類(lèi):Economic和R類(lèi):Run to Maintenance)的管理與C類(lèi)和S類(lèi)設(shè)備的管理并無(wú)明確的具有指導(dǎo)性意義的精益化管理策略和方法，這樣的狀態(tài)導(dǎo)致的后果是安全生產(chǎn)上非關(guān)鍵重要的設(shè)備占用了較多的設(shè)備維護(hù)資源，制約著核電廠在關(guān)鍵重要設(shè)備上的維護(hù)管理資源的持續(xù)精準(zhǔn)投入。另外，在設(shè)備故障預(yù)防維護(hù)項(xiàng)目制定方面普遍存在加法多，精準(zhǔn)的減法少，預(yù)防性維護(hù)項(xiàng)目制定過(guò)程中定性的技術(shù)依據(jù)多，定量的技術(shù)依據(jù)少；基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance,CBM)和預(yù)測(cè)性維修(Predictive Maintenance,PdM)還未形成完善的管理流程和體系，維修策略仍以固定時(shí)間的定期維修為主，這是一種高成本低效率的維護(hù)策略。

基于以上原因，研究在非關(guān)鍵重要設(shè)備上應(yīng)用基于設(shè)備可靠性與價(jià)值平衡的維修技術(shù)(即R&VBM)成為一種必然選擇，通過(guò)該技術(shù)建立設(shè)備失效率與預(yù)防性維修(Preventive Maintenance,PM)項(xiàng)目的關(guān)系，構(gòu)建維修任務(wù)成本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而使得預(yù)防性維修項(xiàng)目的調(diào)整與周期的變化得以反映到可靠性的變化和維護(hù)成本支出中，使得電廠設(shè)備管理人員在保證設(shè)備可靠性前提下，可以通過(guò)綜合成本的比較選擇最優(yōu)化的維修管理策略[1]。

1 R&VBM策略原理

1.1 R&VBM的技術(shù)基礎(chǔ)

R&VBM的技術(shù)基礎(chǔ)是基于PM任務(wù)可以有效防止設(shè)備失效模式這樣的假設(shè)，即PM任務(wù)是經(jīng)過(guò)設(shè)備失效機(jī)理分析、降級(jí)影響因素識(shí)別、發(fā)現(xiàn)和預(yù)防手段識(shí)別這樣的流程實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)PM任務(wù)都管理著單個(gè)或多個(gè)失效模式。

設(shè)備的維護(hù)策略根據(jù)設(shè)備的分級(jí)結(jié)果確定，關(guān)鍵設(shè)備以防止設(shè)備失效為目標(biāo)制定維修策略；對(duì)于非關(guān)鍵設(shè)備基于設(shè)備可靠性目標(biāo)和維修策略成本平衡的基礎(chǔ)制定維修策略，這種分析包括考慮設(shè)備的失效概率和失效后果。對(duì)于某些沒(méi)有安全功能或發(fā)電功能的設(shè)備，可以?xún)H考慮維護(hù)設(shè)備的成本來(lái)制定維護(hù)策略，如果沒(méi)有預(yù)防性維護(hù)成本，則設(shè)備為RTM(Run To Maintenance)。R&VBM技術(shù)方法的功能在于能夠基于可靠性和成本分析結(jié)果，選擇最佳的設(shè)備維護(hù)策略。

1.2 R&VBM基本策略

圖1為R&VBM策略的原理圖，表明了預(yù)防性維修(PM)費(fèi)用、糾正性維修(Correct Maintenance,CM)費(fèi)用以及相應(yīng)的設(shè)備可靠性之間的關(guān)系。圖1所示隨著PM費(fèi)用的增加，設(shè)備CM費(fèi)用呈“先減后增”的趨勢(shì)，這意味著增加設(shè)備PM維護(hù)項(xiàng)目不能無(wú)限增加設(shè)備的可靠性。A點(diǎn)為R&VBM方法中非關(guān)鍵非重要設(shè)備追求的總成本最低點(diǎn)，B點(diǎn)為該方法對(duì)關(guān)鍵重要設(shè)備追求的可靠性最高、CM成本最低、總維護(hù)成本相對(duì)較低點(diǎn)。A點(diǎn)到B點(diǎn)的變化區(qū)間意味著電廠可以從設(shè)備重要性分級(jí)的出發(fā)，為不同重要性的設(shè)備選擇不同的維修策略。

在傳統(tǒng)設(shè)備管理模式下，核電廠秉承“核安全高于一切”的理念，設(shè)備的維修策略選擇方面偏向于保守，日常更多的選擇定期維修項(xiàng)目，特別是新建核電廠，預(yù)防性維修策略主要參考同行經(jīng)驗(yàn)和遵照法規(guī)要求的方式開(kāi)發(fā)設(shè)備的維修策略，與設(shè)備的失效機(jī)理和實(shí)際失效率沒(méi)有深度結(jié)合，使得維修策略缺少針對(duì)性，部分設(shè)備甚至存在“過(guò)度維修”的情況。實(shí)施R&VBM技術(shù)需對(duì)不同的設(shè)備采取精準(zhǔn)的管理策略，對(duì)于影響機(jī)組整體可靠性的關(guān)鍵重要設(shè)備理論上需維持在B點(diǎn)，對(duì)于非關(guān)鍵非安全重要的設(shè)備則可向A點(diǎn)優(yōu)化。而最終策略的制定將取決于核電廠對(duì)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，所以R&VBM技術(shù)主要解決和處理設(shè)備可靠性和維護(hù)成本如何平衡的問(wèn)題[2]。

2 可靠性計(jì)算模型

結(jié)合設(shè)備部件的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出設(shè)備總體失效率，根據(jù)設(shè)備失效率和維修任務(wù)計(jì)算檢修成本、備件材料成本和發(fā)電功率損失，建立基于可靠性和成本分析的維修策略分析模型，從而形成最優(yōu)維護(hù)資源投入的經(jīng)濟(jì)計(jì)算分析模型，提高維修活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)有效性。

圖1 R&VBM策略原理Fig.1 The principle of the R&VBM strategy

(1)設(shè)備初始失效率的估算

將設(shè)備部件的失效模式根據(jù)失效機(jī)理分為隨機(jī)型(表示失效可能發(fā)生在任何時(shí)間)、有條件磨損型(表示當(dāng)觸發(fā)條件存在時(shí),設(shè)備會(huì)發(fā)生失效)和無(wú)條件磨損型(指設(shè)備投入運(yùn)行后降級(jí)就會(huì)發(fā)生)三種。隨機(jī)型失效率可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值(比如取1.1×10-4/年)；無(wú)條件磨損型失效率根據(jù)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間(Mean Time To Failure,MTTF)計(jì)算，累加部件失效率得出設(shè)備的初始失效率，如某部件無(wú)故障運(yùn)行10年，則年失效率為1/10，具體失效率通過(guò)行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)反饋統(tǒng)計(jì)分析獲?。挥袟l件磨損型在條件不存在時(shí)，失效率取隨機(jī)值，當(dāng)觸發(fā)條件存在時(shí)，失效率的算法與無(wú)條件磨損型失效率相同。

(2)設(shè)備失效率的估算

預(yù)防性維修活動(dòng)對(duì)設(shè)備失效模式的劣化和降級(jí)起到緩解作用，在不同的環(huán)境、工況和周期的預(yù)防性維修策略下，設(shè)備的初始失效率由Fr轉(zhuǎn)換為Fr′、Fr″

N個(gè)預(yù)防性維修任務(wù)作用于同一失效模式的失效率變化可由式(1)所示：

(1)

將多個(gè)失效模式的失效率累加，可得設(shè)備的整體失效率變化[3]，同一部件的M個(gè)失效模式在N個(gè)預(yù)防性維修任務(wù)的管理下的失效率計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

備注：Fr為設(shè)備初始失效率、Fr′為單一失效模式設(shè)備失效率、Fr″為多重失效模式設(shè)備失效率、En′為隨周期變化防護(hù)有效性值(其中PM任務(wù)固有有效性取值為：高H=97%、中M=80%、低L=50%)、n為PM任務(wù)數(shù)、N為PM總數(shù)、j為失效模式數(shù)，M為失效模式總數(shù))。

3 成本計(jì)算模型

經(jīng)濟(jì)效益分析使用行業(yè)推薦成本計(jì)算模型：

(1)成本計(jì)算模型：

CB_PMO=(CM+CM_RP)·Fr+(PM+PM_CR)·Fp+(NRC/RL)

備注：CB_PMO總費(fèi)用成本(結(jié)合設(shè)備失效率綜合考慮PM/CM人工、備件、功率損失及一次性投入、其他管理成本。)

CM：設(shè)備失效時(shí)的糾正性維修成本，包括人工、備件、材料等方面的成本總和；

CM_RP:執(zhí)行CM功率損失成本，因停機(jī)或縮短運(yùn)行時(shí)間引起，由小時(shí)功率損失百比×組功率×上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算得出；

Fr:預(yù)期的設(shè)備年失效率，根據(jù)通用設(shè)備失效率，以及PM變更對(duì)設(shè)備失效率的影響變化計(jì)算得出；

PM:預(yù)防性維修成本、PM_CR:執(zhí)行PM項(xiàng)目的功率損失成本、Fp:每年P(guān)M的執(zhí)行頻率；

NRC:一次性投入成本(不再重復(fù)投入的執(zhí)行維修優(yōu)化的費(fèi)用，比如技術(shù)改造和替代)；

RL：核電廠剩余壽命年限(可按核電廠設(shè)計(jì)壽命40年換算)。

(2)不同維修策略的比較和選擇

當(dāng)PM活動(dòng)取消、增加或周期延長(zhǎng)、縮短時(shí)，導(dǎo)致了設(shè)備部件失效率的變化，則設(shè)備失效率由Fr′、變?yōu)镕r″，F(xiàn)r′設(shè)備的PM頻率由Fp變?yōu)镕p′(Fp′=1/Fp)，對(duì)應(yīng)可得Cost′：

Cost′=(CM+RP)·Fr″Fr″+(PM+RP)·Fp′

通過(guò)Cost與Cost′的對(duì)比，則可計(jì)算出維修策略的經(jīng)濟(jì)價(jià)值影響，包括發(fā)電損失、人工成本、備件材料成本等方面的經(jīng)濟(jì)影響。通過(guò)運(yùn)籌學(xué)最短路徑的逐步逼近法得出Fp′的最優(yōu)解,從而確定PM任務(wù)的周期。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，以當(dāng)前周期的0.1倍間隔代入開(kāi)展設(shè)備可靠性分析，直至周期為當(dāng)前周期的2倍。計(jì)算每個(gè)周期對(duì)應(yīng)的年度糾正性維修成本、預(yù)防性維修成本和總成本。

4 設(shè)備類(lèi)預(yù)防性維修(PM)模板的開(kāi)發(fā)

為了將設(shè)備重要性分級(jí)和部件的失效模式、部件失效率以及故障預(yù)防任務(wù)的有效性和成本結(jié)合起來(lái)綜合分析，某電廠采用了以設(shè)備類(lèi)預(yù)防性維修模板(PM模板)為核心載體的技術(shù)路線，將PM模板作為整個(gè)預(yù)防性維修的技術(shù)基準(zhǔn)文件，整合和解釋了每項(xiàng)維修任務(wù)和設(shè)備失效點(diǎn)、失效機(jī)理、失效時(shí)間特征的關(guān)系，并集成了維修任務(wù)的有效性分析計(jì)算功能(用于評(píng)估PM任務(wù)變化和延長(zhǎng)對(duì)設(shè)備可靠性的影響)。同時(shí)電廠將所有的預(yù)防性維護(hù)任務(wù)的基礎(chǔ)成本數(shù)據(jù)配置到PM模板中的方式，實(shí)現(xiàn)了可靠性分析功能和成本計(jì)算功能的數(shù)據(jù)架構(gòu)解決方案,見(jiàn)圖2。

5 R&VBM軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

5.1 R&VBM軟件系統(tǒng)功能

某核電廠在建立了相應(yīng)的算法模型基礎(chǔ)上，完成了海量數(shù)據(jù)的設(shè)備部件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)和成本數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如圖3為某電廠開(kāi)發(fā)的R&VBM系統(tǒng)主要功能，它基于PM模板實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可靠性分析、成本計(jì)算、最優(yōu)維修策略周期選擇、維修工單數(shù)據(jù)獲取、成本趨勢(shì)分析和可視化成果展示等功能。

圖2 預(yù)防性維修技術(shù)基準(zhǔn)文件-PM模板

5.2 R&VBM應(yīng)用軟件系統(tǒng)

基于上述PM模板、可靠性計(jì)算模型、成本計(jì)算模型，某核電廠開(kāi)發(fā)和投運(yùn)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的R&VBM軟件平臺(tái)。該平臺(tái)具備成本數(shù)據(jù)(包括管理成本、人工成本、備件成本、功率損失成本)配置功能，同時(shí)與電廠工作過(guò)程管理系統(tǒng)(SAP系統(tǒng))建立數(shù)據(jù)接口，可自動(dòng)獲取和更新電廠檢修、成本數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可靠性分析、維修任務(wù)有效性評(píng)估、維修成本計(jì)算、成本可視化等主要功能。功能應(yīng)用詳見(jiàn)圖4～圖6所示。

圖3 R&VBM軟件系統(tǒng)功能Fig.3 The functions of R&VBM software system

圖4 R&VBM可靠性分析頁(yè)面展示Fig.4 The reliability assessment interface display of R&VBM

圖5 R&VBM維修成本計(jì)算頁(yè)面展示Fig.5 The maintenance cost assessment interface display of R&VBM

圖6 R&VBM成本可視化頁(yè)面展示Fig.6 The interface display of R&VBM cost visualization

6 R&VBM應(yīng)用成果及展望

6.1 R&VBM應(yīng)用成果

通過(guò)R&VBM技術(shù)方法在設(shè)備精益化管理方面的創(chuàng)新應(yīng)用，近幾年來(lái)某核電廠機(jī)組設(shè)備可靠性持續(xù)提升，設(shè)備可靠性指標(biāo)(Equipment Reliability Index,ERI)在中廣核集團(tuán)六大核電基地的排名從2016年的第5名逐年上升到2021年全集團(tuán)第1名，見(jiàn)圖7。

在確保設(shè)備可靠性持續(xù)提升的前提下，利用R&VBM技術(shù)方法推動(dòng)電廠預(yù)防性維修大綱持續(xù)優(yōu)化，截止2021年6月某核電廠預(yù)防性定期檢修工作當(dāng)量(PM大綱項(xiàng)目數(shù)7萬(wàn)多項(xiàng))較2017年底降低25.9%，大綱工作量降低17.6%，平均每年可節(jié)約17 000多人工日，成本管理精益化成果顯著(累計(jì)節(jié)約運(yùn)維成本約1100萬(wàn)元/年)，另外日常預(yù)防性維修工作票量和糾正性維修工作票量分別降低29.1%和59.3%，大修平均糾正性維修票量減少34.2%，數(shù)據(jù)表明在設(shè)備可靠性持續(xù)提升的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了糾正性維修活動(dòng)的大幅降低，也充分反映了R&VBM技術(shù)方法在核電行業(yè)設(shè)備精益化管理方面發(fā)揮出的巨大價(jià)值。(應(yīng)用成果詳見(jiàn)圖8～圖10所示。)

圖7 某核電廠ERI指標(biāo)歷年排名Fig.7 The ranking of ERI index

圖8 預(yù)防性大綱當(dāng)量和工作量變化趨勢(shì)Fig.8 The reduction trend of PM programs and workload

圖9 日常預(yù)防性和糾正性工作票變化趨勢(shì)Fig.9 The reduction trend of PM and CM work package

圖10 大修預(yù)防性和糾正性工作票變化趨勢(shì)Fig.10 The reduction trend of PM and CM outage work package

6.2 R&VBM應(yīng)用展望

R&VBM技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是在保證電廠安全性和可靠性前提下，借助科學(xué)的可靠性分析模型和成本計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)了電廠維護(hù)資源的優(yōu)化配置。R&VBM的全面應(yīng)用將促進(jìn)核電廠管理層轉(zhuǎn)變管理理念，按照分級(jí)管理的理念，將電廠有限的維護(hù)資源投入到關(guān)鍵重要設(shè)備上，以取得核安全和設(shè)備可靠性的持續(xù)提升。R&VBM技術(shù)的應(yīng)用投產(chǎn)將促進(jìn)該技術(shù)本身所依賴(lài)的部件失效模式和失效數(shù)據(jù)的迭代更新，有力促進(jìn)設(shè)備基礎(chǔ)維護(hù)數(shù)據(jù)價(jià)值的發(fā)掘，提升核電廠精益化管理的核心技術(shù)能力。

R&VBM技術(shù)提供了一套完整的達(dá)成設(shè)備高可靠性目標(biāo)和成本精益管理目標(biāo)的解決方案，在行業(yè)內(nèi)具備廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。按照目前的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，該技術(shù)的全面應(yīng)用可達(dá)到在確保核電廠設(shè)備可靠性持續(xù)提升的前提下，至少降低30%左右的年度維修成本。