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面向核电装备的全生命周期智能运维需求分析

2023-11-22 99 上传者：管理员

摘要：核电行业是支撑国家安全的重要基础产业，其涉及的高安全装备结构复杂，执行任务时相互配合密切。装备工作状态的优劣直接影响整个系统是否稳定运行，对提供优质的能源供应，推动核电行业发展具有重要作用。因此，开展核电高安全装备的智能运维，提升装备运行的可靠性十分必要。通过系统地梳理核电行业高安全装备的运维现状和相应的智能运维需求，从基于价值维修的策略出发，提出运营准备时间、单台装备维修工期、单台装备维修工时及全生命周期运维成本4个价值指标，评价核电高安全装备的智能运维效率。本文提出的计算方法可为后续核电行业典型的高安全装备开展智能运维软件应用验证提供理论支撑，并指导相关的成果在核电行业进行应用推广。

关键词：
低碳
全生命周期运维成本
智能运维需求
核电
运营准备时间
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核电在中国建设安全高效、清洁低碳的现代化能源体系进程中发挥着重要作用，对实现“双碳”目标至关重要[1]。核电高安全行业是支撑国家安全的重要基础产业，其涉及的高安全装备如核电发电机、应急柴油机、核测量仪表等设备结构复杂，执行任务时相互配合密切[2]。这些高安全装备是核电站生产系统的重要组成部分，装备状态的优劣直接影响企业发展。现有的运维服务平台并未实现装备状态管理与运维规划的有机融合，缺乏对运维全过程和全要素精益化、智能化规划与管理，严重制约运维服务水平提升。

目前，核电行业的高安全关键装备主要依赖定期检测维修的人工维护方式。定期检测维修以固定的周期对系统设备实施检修，保证了资金、人力和物力等安排的计划性，保持了行业生产的稳定性。然而，如果装备在检修期未到时产生局部故障，受检修计划制约，不得不带病工作，将产生额外的维修成本[3,4,5]。因此，定期检修不但会造成设备过修或失修，还会增加企业的维修成本和运行损失。实际中，针对不同的工况或设备所属生命周期的阶段，厂家建议的固定维修策略较为保守。事实上，当装备处于磨合期或者衰退期，装备易发生故障，应缩小预防性检修的周期；而当设备处于健壮期，设备状态运行平稳，应延长预防性检修的周期，这种划分阶段的维修策略是核电企业迫切需要的运维方式。

医学领域通过对当前实际系统状态的健康状态量化评估，进而取得具有置信度的结论。利用健康状态评估等技术可以及时、准确地获取系统的实际运行状态，进而可以优化维护策略，对提高整个系统运行的平稳可靠性，降低维护费用具有重要意义[3]。随着现代化工业技术不断发展，国内外学者对一些典型装备和系统利用健康状态评估技术进行了新的探索，并逐步应用于其他领域。国内在健康管理及其相关领域也进行了较多研究，其研究的对象主要集中在桥梁、电力自动化设备、航天领域设备等研究和应用领域[6]。

目前，核电行业在保障安全生产的前提下，充分利用当今先进的信息技术、人工智能技术，建立智能化的远程诊断运维信息系统，提高装备的经济性和安全可靠性，最大限度地发挥机组效能，降低企业生产成本和运维成本[13]。研究和实践表明，运维工作需要以关键装备可靠性最大化为目标在合理开展预防性维护工作的同时兼顾总运维成本最小化，即为预防性维修年均成本与纠正性年均维修成本之和的最小化，这就是基于价值的维修（Value-Based Maintenance,VBM）策略[7]，如图1所示。

表1 符号说明

目前，核电高安全行业采取较为保守的维修策略，在进行设备维护更新过程中，以安全可靠生产为目标，经济性因素往往考虑较少[8,9,10]。VBM策略倡导要从过去的“保守维修”理念向“价值维修”新理念转变，有效评估设备故障模式和进行设备维护的风险，在保障设备安全性的前提下，有效缩短了预防性维护工作时间，减少了维修工作量，并显著降低设备维护成本[7]。

基于以上分析，本文从价值维修的需求出发，提出了运营准备时间、单台装备维修工期、单台装备维修工时及全生命周期运维成本4个价值指标来评价核电高安全装备的智能运维的检修效率。通过选取核电发电机、应急柴油机、核测量仪表的运维数据，计算了本文提出的4个价值指标，并给出了根据计算结果提出了减少高安全装备运维成本的策略。表1给出了后文将要用到的符号说明。

表2 一个循环内发电机每个检修周期安排的检修大纲

1、核电行业的价值指标计算方法

为了评价智能运维算法或软件对核电行业高安全装备智能运维工作的贡献，本文基于VBM策略引入装备的智能运维评估的价值指标，提出了运营准备时间、单台装备的维修工期与单台装备的维修工时、装备全生命周期的运维成本4个指标的计算方法。

1.1 运营准备时间

本文将运营准备时间定义为从确定维护项目开始到装备维修开始的时间。根据检修大纲的不同，每个周期内执行的检修项目不同，因此每个周期的运营准备时间不同。定义单次运维的平均运营准备时间为

其中，Nc为1个循环内检修的次数；Toi为第i次检修周期中所用的运营准备时间。

以核电行业中常用的发电机为例，一般以10个检修周期（15年）为1个循环。在核电行业1个循环中按规律共执行1C、4C、8C、15C 4种检修大纲，1个循环内每个检修周期安排的检修大纲参见表2。检修周期为15C>8C>4C>1C。1C类型检修大纲主要为1C项目，4C类型检修大纲主要为4C项目，8C类型检修大纲主要为8C项目，15C类型检修大纲主要为15C项目。每个检修周期为1.5年，即18个月。

由表1可知，1个循环内共执行1C检修7次，4C检修2次，8C+15C检修1次。因此，单次运维的平均运营准备时间为

1.2 单台装备维修工期与维修工时

单台装备维修工期指从该装备停机开始，经过维修工作直到装备重新进行正常工作状态的时间。每个周期内执行的检修项目（即检修大纲）不同，因此每个周期的单台装备维修工期不同。定义单台装备单次维修平均工期为

其中，Nc为1个循环内检修的次数；T Mi为单台装备第i次检修周期中所用维修工期。

同样，定义单台装备单次维修平均工时为

以核电发电机为例，阐述发电机维修工期计算方法。若给出发电机单次检修工期和检修时间，那么在1个循环内共执行1C检修7次，4C检修2次，8C+15C检修1次。因此，可求得核电发电机单台装备平均维修工期和维修工时分别为

1.3 装备全生命周期运维成本

装备全生命周期运维成本可以按照自顶向下，逐层分解策略进行，形成成本树，以便于根据不同的决策方案选择不同层次的成本。设计装备全生命周期的运维成本如下

式（7）中，CB表示全生命周期年均运维成本；C1表示预防性维修年均成本，即按照周期对设备进行维护所需要的成本，包括预防性维修年均成本PM（材料成本PMM，人工成本PML）和执行预防性维修产生的年均功率损失费PM＿CR;C2表示纠正性维修年均成本，它包括了纠正性年均维修成本CM（材料成本CMM和人工成本CML）和执行纠正性维修功率产生的年均损失费CM＿RP。

1）预防性运维年均成本

预防性运维年均成本C1，表示按照周期对设备进行维护时每年所需要的成本，包括预防性运维年均成本PM和执行预防性运维所带来的功率损失费PM＿CR，可表示为

其中，FP为预期年失效率，或者说每年进行预防性运维的频率；T Wi为整个电站的预防性大修窗口时间。目前核电行业均采用厂家建议的固定维修策略，也就是FP为固定值。核电装备绝大部分为高安全装备，厂家建议的固定维修策略较为保守。当通过健康状态管理动态调整维修频率，即设备健康，则减小维修频率，不良健康状况的设备加大维修频率时，FP为动态值。FP的降低，将直接减少预防性维修成本。PM i表示一个循环内第i次检修产生的预防性运维成本，它包括人工成本PM Li和材料成本PM Mi

其中，人工成本PM Li与运营准备时间和单台装备维修工期相关，

其中，Co、CM分别是参与运营准备和单台装备维修的工作人员的工时费。

PM＿CR为执行单台装备预防性检修而导致停机产生的功率损耗成本，即

其中，Cp为停机一天产生的功率损失，它是固定不变的。因此，只有降低了单台装备维修工期超出检修窗口时间，才能有效降低预防性功率损耗成本。

由公式（8）～公式（11）可得，执行单次预防性检修的总成本为

2）纠正性运维年均成本

纠正性运维年均成本C2，表示设备发生故障时对设备进行抢修所需要年均成本，包括纠正性维修年均成本CM和执行纠正性维修产生的年均功率损失费用CM＿RP，可表示为

其中，Fr为纠正性失效率，或者说设备内因任意单一部件发生故障且引发停机检修的概率；NF为某型号装备统计到的故障次数。CM i为执行第i次纠正性维修所需要的成本，它包括设备发生故障时进行抢修产生的人力成本CM Li和材料成本CM Mi。

由于装备突然发生故障，运维部门往往都是临时组织人员抢修，因而抢修准备时间可以忽略不计。故纠正性维修的人工成本只与抢修工期有关，而抢修工期与故障部件有关，往往是几天到几十天不等。纠正性维修人工成本定义为

其中，T Fi为第i次故障抢修的所需工期；N Fi为参与抢修的人员数；C Fi为装备抢修的工时费。CM＿RP i为纠正性功率损耗成本，由于装备发生故障导致停机必将带来经济损失，因而纠正性功率损失成本为

由公式（13）～公式（16）可得，纠正性运维年均成本为

可见CM＿RP这部分成本主要与抢修工期有关，CM和CM＿RP均与抢修工期有关，而CM还与材料成本有关。因此，一方面可通过自动化工具的研制、应急预案的优化等方法来减少抢修工期从而减少纠正性运维成本；另一方面可引入设备健康状况评估系统，降低设备发生故障概率来减少纠正性运维成本。

2、算例计算

核电发电机的运维分成1C、4C、8C和15C 4种检修类型，检修周期为15C>8C>4C>1C。从典型性和代表性方面考虑，选取了目前核电行业具有代表性且历史数据完整的机型作为分析对象，收集了某核电站某发电机2011年～2021年间的检修记录（共22条）。根据这些数据，计算了核电发电机单次运维的平均运营准备时间、单台装备平均维修工期和平均维修时间、全生命周期运维年均成本，如图2～图4所示。

3、结果分析

类似于核电发电机装备的指标计算过程，通过收集大量核电高安全装备发电机、应急柴油机、核测量仪表的历史运维数据，对它们全生命周期运维成本进行了统计和计算。

根据这些数据，计算核电行业高安全典型装备发电机的全生命周期运维成本，各子项如图5所示。

三大装备全生命周期运维年均成本不同，均有各自特点。如：

1）柴油机的全生命周期运维成本中，既包含了预防性运维成本，又含有纠正性成本。其中，两类成本中，材料成本占比较高，总体超过55%，剩下的全为人工成本，维修人工成本占比约为30%，预防性-准备人工成本占比约为14%。

图2 核电发电机检修运营准备时间

图4 核电发电机全生命周期运维年均成本

2）发电机的全生命周期运维成本，既有预防性运维成本又有纠正性成本，其中纠正性功率损失占比超过40%，预防性-维修人工成本占比接近40%，预防性-准备人工成本占比约为16%。

3）核测量仪表系统的全生命周期运维成本，既有预防性运维成本又有纠正性成本，其中纠正性功率损失占比超过41%，预防性-材料成本占比接近26%，预防性-准备人工成本占比约为6%，预防性-维修人工成本占比约为12%。

综上所述，应针对不同装备研究不同的智能运维策略，最终才能达到全生命周期运维成本减少的目标。因此，在减少运营准备时间和单台装备的维修工期的基础上，不同装备智能运维技术的研究重点不同，即：

图3 核电发电机维修工期与维修工时

图5 核电三大装备全生命周期运维年均成本分布

(1)为了减少应急柴油机全生命周期运维成本，应该重点研究如何科学地规划预防性检修项目，在不影响柴油机工作状态的前提下，减少每次检修产生的材料成本，其次可以考虑引用先进的运维技术，进一步缩短维修的人工成本。

(2)为了减少发电机全生命周期运维成本，应该重点研究如何降低纠正性功率损失成本，减少抢修工期和降低纠正性失效率。同时，也需要研究如何合理安排工期，确保减少预防性运维的人工成本。

(3)为了减少核测量仪表全生命周期运维成本，一方面应该重点研究如何科学地规划预防性检修项目，在不影响核测量仪表工作状态的前提下，减少每次检修产生的材料成本；另一方面，应重点研究如何降低纠正性功率损失成本，减少抢修工期和降低纠正性失效率。

4、结论

本研究系统性梳理了核电行业开展智能运维的调研结果，通过广泛的文献调研与专家建议，结合核电装备的典型业务场景，梳理出核电行业运维现状和相应的智能运维需求。从基于价值维修的需求出发，提出了运营准备时间、单台装备维修工期和维修工时及全生命周期运维成本4个价值指标来为评价核电高安全装备的智能运维的检修效率。本文提出的计算方法可为后续核电行业典型的高安全装备开展智能运维软件应用验证提供理论支撑，指导相关的成果在核电行业进行应用推广。

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基金资助:国家重点研发计划:核电､化工高安全行业应用验证(2020YFB1709705);

文章来源:孙志民,吴超,余雪晴等.面向核电装备的全生命周期智能运维需求分析[J].仪器仪表用户,2023,30(12):74-78+22.