火力發(fā)電廠檢修策略的研究與建模

　　一般來(lái)講，火力發(fā)電廠的設(shè)備檢修涉及兩方面問(wèn)題:一是應(yīng)該采用何種檢修技術(shù);二是該以怎樣的策略
　　
　　指導(dǎo)檢修，即如何確定檢修的*時(shí)機(jī)與內(nèi)容，如何通過(guò)科學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)檢修活動(dòng)的優(yōu)化管理。在以往的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，發(fā)電廠機(jī)組檢修是由各省電力調(diào)度中心統(tǒng)籌安排的，由于這種方式很少專(zhuān)門(mén)考慮單個(gè)發(fā)電廠設(shè)備的實(shí)際狀況，不能適時(shí)安排檢修，導(dǎo)致電廠經(jīng)常性地出現(xiàn)檢修不足、檢修過(guò)剩、盲目檢修等現(xiàn)象。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)改革的不斷深化，各發(fā)電廠在生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)上的自主權(quán)將不斷擴(kuò)大，使得發(fā)電廠考慮*化檢修成為可能，進(jìn)而檢修策略的研究也隨之變得越發(fā)重要。
　　
　　檢修策略是一種復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題，是指通過(guò)有選擇地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，使系統(tǒng)在保證能夠正常運(yùn)行的
　　
　　前提下實(shí)現(xiàn)檢修在經(jīng)濟(jì)上達(dá)到*[1]。真正能夠提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的檢修策略應(yīng)具備以下2個(gè)條件:（1）系統(tǒng)
　　
　　而周全地制定檢修計(jì)劃;（2）建立一套嚴(yán)密的檢修理論與模型，以保證檢修策略具有較強(qiáng)的科學(xué)性。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)70～80年代就已經(jīng)把這一課題看成電力檢修的核心問(wèn)題，并取得了大量的研究成果，而國(guó)內(nèi)目前在檢修經(jīng)濟(jì)性方面的研究還處于起步階段。
　　
　　文獻(xiàn)[2]介紹了一種國(guó)外以可靠性為中心的檢修（RCM）方式，它是根據(jù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)確定*檢修周期的;文獻(xiàn)[3]則對(duì)周期性檢修提出了挑戰(zhàn)，認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要安排檢修。在檢修策略方面，文獻(xiàn)[4]
　　
　　介紹了一種基于RCM的借助于模糊推理理論制定檢修策略的方法;文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于RCM的檢修策略，它的zui大特點(diǎn)在于:通過(guò)權(quán)衡檢修進(jìn)度、檢修質(zhì)量及檢修費(fèi)用3個(gè)要素的重要程度，制定合適的檢修計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)檢修的*控制;文獻(xiàn)[6]、[7]針對(duì)如何選擇待修設(shè)備的問(wèn)題，分別介紹了確定設(shè)備檢修優(yōu)先級(jí)的方法，并提出應(yīng)根據(jù)設(shè)備的檢修優(yōu)先級(jí)對(duì)其實(shí)施檢修;文獻(xiàn)[1]介紹了一種面向多狀態(tài)系統(tǒng)的具有可選性的優(yōu)化維修策略，其zui終目標(biāo)是:在達(dá)到系統(tǒng)正常運(yùn)行所要求的可靠性指標(biāo)的條件下，使設(shè)備總的檢修費(fèi)用zui少，或者在檢修費(fèi)用固定的情況下，使得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)達(dá)到zui大;文獻(xiàn)[8]介紹了一種利用區(qū)間算法和遺傳算法對(duì)檢修策略進(jìn)行優(yōu)化的方法。這些研究成果從不同角度對(duì)發(fā)電廠優(yōu)化檢修問(wèn)題做了論述，提出了大量行之有效的方法，但提出的模型大都沒(méi)有很好地結(jié)合發(fā)電廠的生產(chǎn)實(shí)際，提出的檢修策略缺乏系統(tǒng)性。
　　
　　本文把"設(shè)備"作為檢修策略研究的出發(fā)點(diǎn)，以設(shè)備之間在檢修特性上的差異為線索對(duì)檢修類(lèi)別作了重
　　
　　新劃分，并為每種類(lèi)型的檢修構(gòu)建了優(yōu)化模型。分別建立數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)在于，模型具有更強(qiáng)的針對(duì)性，對(duì)憂化總是的考慮也更加系統(tǒng)和深入。
　　
　　一、火力發(fā)電廠設(shè)備檢修的新策略
　　
　　我國(guó)電力工業(yè)目前廣泛采用的定期檢修（TBM）模式是上個(gè)世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引入的[9]。在這種模式下，檢修活動(dòng)通常被劃分為大修、中修、小修和日常檢修。大修一般4至6年安排1次，中修經(jīng)常安排在2次大修之間，而小修一般每年安排1次。同時(shí)，這3種檢修方式又具有明顯的計(jì)劃性，即檢修內(nèi)容比較固定，極少根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀況確定檢修內(nèi)容。多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，這種基于TBM的檢修策略明顯缺乏科學(xué)性，并帶有較大的盲目性。
　　
　　新的檢修策略在深入考慮了火力發(fā)電廠各類(lèi)設(shè)備檢修特性的基礎(chǔ)上，把火電廠設(shè)備檢修劃分為4種類(lèi)型。
　　
　　（1）例行性集中檢修（RCR）對(duì)于系統(tǒng)中的某些設(shè)備，由于其檢修工藝比較復(fù)雜，檢修須在機(jī)組停運(yùn)狀
　　
　　態(tài)下進(jìn)行，且檢修周期長(zhǎng)于通常的運(yùn)行間隔，一般無(wú)法在機(jī)組運(yùn)行的自然間隔期間對(duì)其實(shí)施檢修。鑒于此，專(zhuān)門(mén)為這類(lèi)設(shè)備安排了RCR。在4種檢修類(lèi)型中，RCR的規(guī)模zui大，持續(xù)時(shí)間zui長(zhǎng)。
　　
　　（2）間隔性集中檢修（ICR）ICR在2次運(yùn)行間隔中進(jìn)行，因此它不會(huì)犧牲機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間。檢修周期短于運(yùn)行間隔的設(shè)備都可以在這個(gè)時(shí)段安排檢修。
　　
　　（3）日常預(yù)知性維護(hù)與檢修（DPMR）DPMR出現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，它的作用是保證系統(tǒng)始終運(yùn)行在較高的可用性之下。凡是檢修活動(dòng)不會(huì)影響機(jī)組正常運(yùn)行的設(shè)備都可以安排在系統(tǒng)運(yùn)行期間檢修。應(yīng)該指出的是，所謂不會(huì)影響機(jī)組正常運(yùn)行包括兩種情況:一是設(shè)備的檢修對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行沒(méi)有任何影響;二是設(shè)備的檢修會(huì)影響機(jī)組的發(fā)電能力，但由于某時(shí)段內(nèi)機(jī)組正好運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)，因此可以在此期間安排檢修。
　　
　　（4）突發(fā)事故下的檢修（AR）運(yùn)行中的突發(fā)事故一般是由不可預(yù)知因素引發(fā)的，因此AR無(wú)論其檢修時(shí)間點(diǎn)、檢修對(duì)象還是處理方式都具有很大的不確定性。本文沒(méi)有對(duì)AR做過(guò)多討論，這里提出AR的概念主要是出于對(duì)檢修類(lèi)型劃分完整性的考慮。
　　
　　圖1反映了RCR、ICR、DPMR3種檢修類(lèi)型的分布情況。

　　
　　二、設(shè)備運(yùn)行特性
　　
　　2.1設(shè)備的使用壽命
　　
　　對(duì)于每種設(shè)備，如果其出廠時(shí)質(zhì)量合格，那么它應(yīng)有一個(gè)預(yù)期的使用壽命T*life-span。T*life-span表示這種設(shè)備在理想工作環(huán)境下（標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、溫度、濕度、壓力等），從初始運(yùn)行時(shí)的狀況Sinit到工作能力*喪失（即失效）時(shí)的狀況Sincap所經(jīng)歷生命周期的期望值，如圖2所示。

　　
　　然而針對(duì)某個(gè)確定設(shè)備來(lái)說(shuō)，它zui終的實(shí)際使用壽命與預(yù)期壽命往往存在較大差異。假設(shè)設(shè)備出廠前
　　
　　制造工藝*符合標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量也*合格，那么這種差異主要源于它們所處的工作環(huán)境。一般情況下，設(shè)備在運(yùn)行中難免在某些隨機(jī)時(shí)段會(huì)遇到惡劣環(huán)境或者在某些隨機(jī)時(shí)刻遭受破壞性沖擊。如果設(shè)備遇到惡劣工作環(huán)境或遭受破壞性沖擊后并未立即失效，其狀況將沿著新的狀況曲線S（t）變化（圖3），不妨將其稱(chēng)為狀況跳變（狀況跳變出現(xiàn)的時(shí)間為t1）。設(shè)備發(fā)生狀況跳變以后，如果沒(méi)有得到任何處理，那么它的預(yù)期壽命將會(huì)縮短。設(shè)備因遭受強(qiáng)烈破壞性沖擊而立即失效的情況（如圖4）是zui不希望看到的，因?yàn)樗芸赡軙?huì)導(dǎo)致突發(fā)性事故，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失往往數(shù)額巨大。
　　
　　2.2檢修對(duì)設(shè)備使用壽命的影響
　　
　　在生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)了解設(shè)備是否發(fā)生狀況突變。對(duì)于發(fā)生突變的設(shè)備，在
　　
　　檢修zui后期限（指能夠組織有效檢修的zui后時(shí)機(jī)）以前對(duì)其進(jìn)行檢修處理，可以改善設(shè)備的狀況曲線S（t）。
　　
　　值得注意的是，修復(fù)與更換將產(chǎn)生不同的效果，更換后的設(shè)備將進(jìn)入新的生命周期（圖5）。圖5中t2為該周
　　
　　期的起點(diǎn)。而對(duì)于那些經(jīng)過(guò)修復(fù)的設(shè)備，可以做這樣的假定:發(fā)生狀況突變的設(shè)備在得到及時(shí)修復(fù)后，其狀況曲線將回到突變前的模式（圖6），圖6中t2為設(shè)備及時(shí)恢復(fù)的時(shí)刻。
　　
　　三、*化檢修的數(shù)學(xué)模型
　　
　　3.lDPMR的優(yōu)化模型
　　
　　DPMR優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)是:以zui少的維修費(fèi)用來(lái)保證系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的可用性始終滿足要求。這類(lèi)檢修對(duì)象主要是那些不會(huì)因檢修而影響機(jī)組發(fā)電能力的設(shè)備。
　　
　　當(dāng)發(fā)現(xiàn)DPMR類(lèi)設(shè)備ui出現(xiàn)狀況突變時(shí)，要對(duì)ui實(shí)施檢修，優(yōu)化檢修的原則為:
　　
　　如果,則更換ui,如果，則修復(fù)ui。
　　
　　其中：Crepair-i表示修復(fù)ui所需的費(fèi)用，Li為ui的預(yù)期壽命，li表示由狀態(tài)信息得到的ui的剩余壽命，ci為ui的單價(jià)。
　　
　　3.2ICR的優(yōu)化模型
　　
　　ICR的主要對(duì)象：因檢修而影響機(jī)組發(fā)電能力或檢修活動(dòng)必須在機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)下進(jìn)行的設(shè)備。
　　
　　ICR優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)：以zui少的檢修費(fèi)用保證系統(tǒng)在下一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)的可用性滿足要求。
　　
　　ICR的檢修時(shí)機(jī)是機(jī)組的運(yùn)行間隔，是由下一階段的發(fā)電任務(wù)所決定的確定量，設(shè)備之間在檢修策略的制定上基本不存在制約關(guān)系，通過(guò)分步尋求每個(gè)設(shè)備的*檢修方案就能找到間隔性集中檢修的整體*方案。
　　
　　對(duì)于ICR類(lèi)設(shè)備ui來(lái)講，確定對(duì)ui的檢修方案實(shí)際上就是決定修與不修和換與不換的問(wèn)題。為了達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，應(yīng)采取這樣的檢修原則：
　　
　　（1）如果，則對(duì)ui進(jìn)行更換；
　　
　　（2）如果，且，則對(duì)ui做任何處理；
　　
　　（3）如果，且，則分以下不2種情況考慮；
　　
　　如果，則對(duì)ui進(jìn)行更換，如果，則對(duì)ui加以修復(fù)。
　　
　　其中：為下一個(gè)生產(chǎn)周期的長(zhǎng)度，d；Amirr-i表示如不經(jīng)檢修，ui的可用性在下一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)可能達(dá)到zui小值；A*i為運(yùn)行中ui的可用性需達(dá)到的zui小值；其它符號(hào)含義同DPMR優(yōu)化模型。
　　
　　3.3RCR的優(yōu)化模型
　　
　　RCR優(yōu)化問(wèn)題的核心是，如何確定此類(lèi)檢修的*時(shí)機(jī)，使得設(shè)備在其可用性滿足要求的前提下，在一個(gè)經(jīng)濟(jì)周期內(nèi)的檢修費(fèi)用zui少，其優(yōu)化模型應(yīng)遵循如下原則。
　　
　　（1）在1個(gè)經(jīng)濟(jì)周期TRCR內(nèi)，有選擇地在每個(gè)時(shí)段上安排一次例行性檢修或不安排例行檢修。
　　
　　（2）例行檢修過(guò)程中要對(duì)設(shè)備加以修復(fù)或更換，修復(fù)的目的是使設(shè)備的實(shí)際使用壽命晝逼近其預(yù)期使用壽命。
　　
　　于是得到經(jīng)濟(jì)周期TRCR內(nèi)例行性檢修總費(fèi)用的期望值為：
　　
　　式中NRCR——例行性集中檢修設(shè)備的數(shù)目；
　　
　　——TRCR內(nèi)的第i時(shí)段，1≤i≤Np；
　　
　　Prepair{p1,p2,...,pm}——RCR所在時(shí)段序號(hào)構(gòu)成的集合；
　　
　　DRCR-j——被安排了例行性檢修的第j時(shí)段蛤例行檢修持續(xù)的天數(shù)（j∈Prepair）;
　　
　　CRCR（）——URCR在內(nèi)檢修費(fèi)用的期望值；
　　
　　Crepair-i（P）——ui在時(shí)段P內(nèi)檢修費(fèi)用的期望值（P∈Prepair）;
　　
　　d——機(jī)組停運(yùn)一天造成的經(jīng)濟(jì)損失。
　　
　　3.3.2模型求解
　　
　　3.3.2.1TRCR與Np的取值
　　
　　經(jīng)濟(jì)周期TRCR可以根據(jù)本企業(yè)經(jīng)濟(jì)核算的習(xí)慣來(lái)確定，不妨令TRCR為15年。TRCR內(nèi)的單個(gè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度實(shí)際上是TRCR上任意兩次相鄰臨時(shí)性檢修時(shí)間間隔的zui小可能取值，不妨取為6個(gè)月，則Np的取值為30（15年/6個(gè)月）。
　　
　　3.3.2.2對(duì)Prepair的討論
　　
　　由式（3）可以看出，每個(gè)Prepair將對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的1個(gè)取值，因此比較直觀的想法是：找到所有Prepair進(jìn)而得到目標(biāo)函數(shù)所有可能的取值，*問(wèn)題將迎刃而解。
　　
　　設(shè)備集URCR{u1,u2,...,uNRCR}經(jīng)歷經(jīng)濟(jì)周期TRCR的過(guò)程，也可以看成在每個(gè)時(shí)段選擇檢修狀態(tài)（是否安排臨時(shí)性檢修（檢修））的過(guò)程，Np個(gè)時(shí)段檢修狀態(tài)組合便對(duì)應(yīng)1個(gè)Prepair。例如：若“1”表示安排臨修，“0”表示不安排臨修，則一種可能的組合為：[1001...01]，對(duì)應(yīng)的Prepair為：{1，4，...,Np}。很明顯，這樣的Prepairzui多有2Np個(gè)。
　　
　　考慮到發(fā)電生產(chǎn)的確良實(shí)際情況，在選擇檢修狀態(tài)時(shí)應(yīng)遵循這樣的原則：要保證URCR內(nèi)任何設(shè)備ui不會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中因其達(dá)到預(yù)期壽命而失效。假設(shè)pn為本次檢修所屬時(shí)段，那么安排下次檢修的時(shí)段pn+1應(yīng)該滿足這樣的關(guān)系：
　　
　　3.3.2.3目標(biāo)函數(shù)值的計(jì)算
　　
　　目標(biāo)函數(shù)式中的核心部分是Crepair-i（j），即ui在檢修時(shí)段j的預(yù)期花費(fèi)。在某個(gè)確定的Prepair下，按照如下原則計(jì)算Crepair（j）（令當(dāng)前檢修時(shí)段為pn）：
　　
　　（1）如果Li-ai（Pn）≤（Pn＋1-Pn）,則應(yīng)更換ui,此時(shí)Crepair-i（Pn）=Ci;
　　
　　（2）如果Li-ai（Pn）>（Pn＋1-Pn）,則對(duì)ui作解體檢查，必要時(shí)加以修復(fù)，此時(shí)Crepair-i（Pn）=Ci（ai（Pn））;
　　
　　其中：Li為ui的預(yù)期壽命，ai（Pn）為ui處在時(shí)段Pn時(shí)的運(yùn)行年限，Ci為ui單價(jià)，Ci（ai）為ui在年*修復(fù)費(fèi)用的期望值。
　　
　　3.3.2.4求解過(guò)程
　　
　　（1）令Ctemp=∞,Ptemp=P0,J=0
　　
　　（2）J=J+1。如果J>2NP,進(jìn)到（5）；否則進(jìn)到（3）
　　
　　（3）枚舉2Np個(gè)Ptemp中的1個(gè)。n∈{1,...,NP-1},驗(yàn)證Prepir是否滿足：Pn+1≤[2（Li-ai（pn））],不滿足則回到（2）；滿足則進(jìn)到（4）。
　　
　　（4）計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值C*。如果C*≥Ctemp回到（2）；如果C*temp則Ctemp=C*;Ptemp=Prepair,回到（2）。
　　
　　（5）C*min=Ctemp,對(duì)應(yīng)的Prepair=Ptemp。
　　
　　四、結(jié)語(yǔ)
　　
　　本文介紹了一種電力市場(chǎng)體制下火力發(fā)電廠的檢修策略，它打破了傳統(tǒng)的基于TBM檢修策略的束縛，以發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行特性和檢修特性為主要依據(jù)，對(duì)檢修類(lèi)型做了重新劃分，并分別給出了IRC、DPMR及RCR3種檢修的*模型。
　　
　　（1）DPMR優(yōu)化模型考慮的是日常檢修問(wèn)題，IRC優(yōu)化模型考慮的是當(dāng)前運(yùn)行間隔內(nèi)的檢修問(wèn)題，它們的共同之處在于：1）模型中的設(shè)備信息都是來(lái)源于狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息，說(shuō)明二者都屬于狀態(tài)檢修；）檢修時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)確定，優(yōu)化的核心是決定修與不修、換與不換的問(wèn)題；3）設(shè)備之間不存在相互制約關(guān)系，通過(guò)分步尋求每個(gè)設(shè)備的優(yōu)化方案即可得到整體*方案。
　　
　　（2）RCR優(yōu)化模型考慮的是一個(gè)經(jīng)濟(jì)周期內(nèi)的檢修問(wèn)題，帶有長(zhǎng)期規(guī)劃性質(zhì)。與前兩種模型相同的是，RCR同樣以經(jīng)濟(jì)性*作為檢修*問(wèn)題的研究目標(biāo)，不同之處在于：RCR優(yōu)化模型中的設(shè)備信息主要來(lái)源于設(shè)備未來(lái)狀況評(píng)估系統(tǒng)；優(yōu)化的核心是尋找檢修時(shí)間在經(jīng)濟(jì)周期內(nèi)的*分布，并確定每次檢修的內(nèi)容。