任合斌，田辉宇，邹 晖，孔祥海
(福建宁德核电有限公司，福建 宁德 355200)
随着国内电力体制改革持续深化，受市场形势影响，核能发电成本面临外部竞价上网压力，在企业内部面临降本增效等考核要求，同时为履行核能发电的安全性和经济性的承诺，在确保核电厂安全发电的前提下，需电厂持续提升自己的核心竞争力，提升电厂设备可靠性管理水平。国际上美国核电行业于2016年发起了核电厂提升效率公告(EB16-16)，以期进一步降低核电厂运营成本，该公告认为电厂在非关键设备上执行了大量的高成本、高频度和高资源占用的预防性维修活动，却没有取得相应的可靠性回报。因此识别非关键设备的高成本预防性维修活动，对于设备可靠性方面的收益，将有助于对PM(预防性维修)的工作内容、工作频率或设备分级的优化。聚焦于高成本的非关键预防性维修活动将使电厂年度实际维修成本得到迅速的降低。
国内核电行业以CPR1000压水堆为例，单机组设备总台套数约10万台，其中约8.17%的设备为关键设备(C类：Critical)，约11.76%的设备为安全重要设备(S类:Significant)，对于其他约80.07%非关键重要设备(E类:Economic和R类:Run to Maintenance)的管理与C类和S类设备的管理并无明确的具有指导性意义的精益化管理策略和方法，这样的状态导致的后果是安全生产上非关键重要的设备占用了较多的设备维护资源，制约着核电厂在关键重要设备上的维护管理资源的持续精准投入。另外，在设备故障预防维护项目制定方面普遍存在加法多，精准的减法少，预防性维护项目制定过程中定性的技术依据多，定量的技术依据少；
基于状态的维修(Condition Based Maintenance,CBM)和预测性维修(Predictive Maintenance,PdM)还未形成完善的管理流程和体系，维修策略仍以固定时间的定期维修为主，这是一种高成本低效率的维护策略。
基于以上原因，研究在非关键重要设备上应用基于设备可靠性与价值平衡的维修技术(即R&VBM)成为一种必然选择，通过该技术建立设备失效率与预防性维修(Preventive Maintenance,PM)项目的关系，构建维修任务成本数据结构，从而使得预防性维修项目的调整与周期的变化得以反映到可靠性的变化和维护成本支出中，使得电厂设备管理人员在保证设备可靠性前提下，可以通过综合成本的比较选择最优化的维修管理策略[1]。
1.1 R&VBM的技术基础
R&VBM的技术基础是基于PM任务可以有效防止设备失效模式这样的假设，即PM任务是经过设备失效机理分析、降级影响因素识别、发现和预防手段识别这样的流程实现的，每个PM任务都管理着单个或多个失效模式。
设备的维护策略根据设备的分级结果确定，关键设备以防止设备失效为目标制定维修策略；
对于非关键设备基于设备可靠性目标和维修策略成本平衡的基础制定维修策略，这种分析包括考虑设备的失效概率和失效后果。对于某些没有安全功能或发电功能的设备，可以仅考虑维护设备的成本来制定维护策略，如果没有预防性维护成本，则设备为RTM(Run To Maintenance)。R&VBM技术方法的功能在于能够基于可靠性和成本分析结果，选择最佳的设备维护策略。
1.2 R&VBM基本策略
图1为R&VBM策略的原理图，表明了预防性维修(PM)费用、纠正性维修(Correct Maintenance,CM)费用以及相应的设备可靠性之间的关系。图1所示随着PM费用的增加，设备CM费用呈“先减后增”的趋势，这意味着增加设备PM维护项目不能无限增加设备的可靠性。A点为R&VBM方法中非关键非重要设备追求的总成本最低点，B点为该方法对关键重要设备追求的可靠性最高、CM成本最低、总维护成本相对较低点。A点到B点的变化区间意味着电厂可以从设备重要性分级的出发，为不同重要性的设备选择不同的维修策略。
在传统设备管理模式下，核电厂秉承“核安全高于一切”的理念，设备的维修策略选择方面偏向于保守，日常更多的选择定期维修项目，特别是新建核电厂，预防性维修策略主要参考同行经验和遵照法规要求的方式开发设备的维修策略，与设备的失效机理和实际失效率没有深度结合，使得维修策略缺少针对性，部分设备甚至存在“过度维修”的情况。实施R&VBM技术需对不同的设备采取精准的管理策略，对于影响机组整体可靠性的关键重要设备理论上需维持在B点，对于非关键非安全重要的设备则可向A点优化。而最终策略的制定将取决于核电厂对可靠性和经济性的综合考虑，所以R&VBM技术主要解决和处理设备可靠性和维护成本如何平衡的问题[2]。
结合设备部件的平均无故障运行时间计算出设备总体失效率，根据设备失效率和维修任务计算检修成本、备件材料成本和发电功率损失，建立基于可靠性和成本分析的维修策略分析模型，从而形成最优维护资源投入的经济计算分析模型，提高维修活动的经济有效性。
图1 R&VBM策略原理Fig.1 The principle of the R&VBM strategy
(1)设备初始失效率的估算
将设备部件的失效模式根据失效机理分为随机型(表示失效可能发生在任何时间)、有条件磨损型(表示当触发条件存在时,设备会发生失效)和无条件磨损型(指设备投入运行后降级就会发生)三种。随机型失效率可根据工程经验取值(比如取1.1×10-4/年)；
无条件磨损型失效率根据无故障运行时间(Mean Time To Failure,MTTF)计算，累加部件失效率得出设备的初始失效率，如某部件无故障运行10年，则年失效率为1/10，具体失效率通过行业内的经验反馈统计分析获取；
有条件磨损型在条件不存在时，失效率取随机值，当触发条件存在时，失效率的算法与无条件磨损型失效率相同。
(2)设备失效率的估算
预防性维修活动对设备失效模式的劣化和降级起到缓解作用，在不同的环境、工况和周期的预防性维修策略下，设备的初始失效率由Fr转换为Fr′、Fr″
N个预防性维修任务作用于同一失效模式的失效率变化可由式(1)所示：
(1)
将多个失效模式的失效率累加，可得设备的整体失效率变化[3]，同一部件的M个失效模式在N个预防性维修任务的管理下的失效率计算方法如式(2)所示：
(2)
备注：Fr为设备初始失效率、Fr′为单一失效模式设备失效率、Fr″为多重失效模式设备失效率、En′为随周期变化防护有效性值(其中PM任务固有有效性取值为：高H=97%、中M=80%、低L=50%)、n为PM任务数、N为PM总数、j为失效模式数，M为失效模式总数)。
经济效益分析使用行业推荐成本计算模型：
(1)成本计算模型：
CB_PMO=(CM+CM_RP)·Fr+(PM+PM_CR)·Fp+(NRC/RL)
备注：CB_PMO总费用成本(结合设备失效率综合考虑PM/CM人工、备件、功率损失及一次性投入、其他管理成本。)
CM：设备失效时的纠正性维修成本，包括人工、备件、材料等方面的成本总和；
CM_RP:执行CM功率损失成本，因停机或缩短运行时间引起，由小时功率损失百比×组功率×上网电价计算得出；
Fr:预期的设备年失效率，根据通用设备失效率，以及PM变更对设备失效率的影响变化计算得出；
PM:预防性维修成本、PM_CR:执行PM项目的功率损失成本、Fp:每年PM的执行频率；
NRC:一次性投入成本(不再重复投入的执行维修优化的费用，比如技术改造和替代)；
RL：核电厂剩余寿命年限(可按核电厂设计寿命40年换算)。
(2)不同维修策略的比较和选择
当PM活动取消、增加或周期延长、缩短时，导致了设备部件失效率的变化，则设备失效率由Fr′、变为Fr″，Fr′设备的PM频率由Fp变为Fp′(Fp′=1/Fp)，对应可得Cost′：
Cost′=(CM+RP)·Fr″Fr″+(PM+RP)·Fp′
通过Cost与Cost′的对比，则可计算出维修策略的经济价值影响，包括发电损失、人工成本、备件材料成本等方面的经济影响。通过运筹学最短路径的逐步逼近法得出Fp′的最优解,从而确定PM任务的周期。在实际计算过程中，以当前周期的0.1倍间隔代入开展设备可靠性分析，直至周期为当前周期的2倍。计算每个周期对应的年度纠正性维修成本、预防性维修成本和总成本。
为了将设备重要性分级和部件的失效模式、部件失效率以及故障预防任务的有效性和成本结合起来综合分析，某电厂采用了以设备类预防性维修模板(PM模板)为核心载体的技术路线，将PM模板作为整个预防性维修的技术基准文件，整合和解释了每项维修任务和设备失效点、失效机理、失效时间特征的关系，并集成了维修任务的有效性分析计算功能(用于评估PM任务变化和延长对设备可靠性的影响)。同时电厂将所有的预防性维护任务的基础成本数据配置到PM模板中的方式，实现了可靠性分析功能和成本计算功能的数据架构解决方案,见图2。
5.1 R&VBM软件系统功能
某核电厂在建立了相应的算法模型基础上，完成了海量数据的设备部件失效率数据库和成本数据库的建立，为软件系统的开发奠定了坚实的数据基础。如图3为某电厂开发的R&VBM系统主要功能，它基于PM模板实现了设备可靠性分析、成本计算、最优维修策略周期选择、维修工单数据获取、成本趋势分析和可视化成果展示等功能。
图2 预防性维修技术基准文件-PM模板
5.2 R&VBM应用软件系统
基于上述PM模板、可靠性计算模型、成本计算模型，某核电厂开发和投运了具有自主知识产权的R&VBM软件平台。该平台具备成本数据(包括管理成本、人工成本、备件成本、功率损失成本)配置功能，同时与电厂工作过程管理系统(SAP系统)建立数据接口，可自动获取和更新电厂检修、成本数据信息，实现了设备可靠性分析、维修任务有效性评估、维修成本计算、成本可视化等主要功能。功能应用详见图4～图6所示。
图3 R&VBM软件系统功能Fig.3 The functions of R&VBM software system
图4 R&VBM可靠性分析页面展示Fig.4 The reliability assessment interface display of R&VBM
图5 R&VBM维修成本计算页面展示Fig.5 The maintenance cost assessment interface display of R&VBM
图6 R&VBM成本可视化页面展示Fig.6 The interface display of R&VBM cost visualization
6.1 R&VBM应用成果
通过R&VBM技术方法在设备精益化管理方面的创新应用，近几年来某核电厂机组设备可靠性持续提升，设备可靠性指标(Equipment Reliability Index,ERI)在中广核集团六大核电基地的排名从2016年的第5名逐年上升到2021年全集团第1名，见图7。
在确保设备可靠性持续提升的前提下，利用R&VBM技术方法推动电厂预防性维修大纲持续优化，截止2021年6月某核电厂预防性定期检修工作当量(PM大纲项目数7万多项)较2017年底降低25.9%，大纲工作量降低17.6%，平均每年可节约17 000多人工日，成本管理精益化成果显著(累计节约运维成本约1100万元/年)，另外日常预防性维修工作票量和纠正性维修工作票量分别降低29.1%和59.3%，大修平均纠正性维修票量减少34.2%，数据表明在设备可靠性持续提升的同时实现了纠正性维修活动的大幅降低，也充分反映了R&VBM技术方法在核电行业设备精益化管理方面发挥出的巨大价值。(应用成果详见图8～图10所示。)
图7 某核电厂ERI指标历年排名Fig.7 The ranking of ERI index
图8 预防性大纲当量和工作量变化趋势Fig.8 The reduction trend of PM programs and workload
图9 日常预防性和纠正性工作票变化趋势Fig.9 The reduction trend of PM and CM work package
图10 大修预防性和纠正性工作票变化趋势Fig.10 The reduction trend of PM and CM outage work package
6.2 R&VBM应用展望
R&VBM技术的开发应用是在保证电厂安全性和可靠性前提下，借助科学的可靠性分析模型和成本计算模型实现了电厂维护资源的优化配置。R&VBM的全面应用将促进核电厂管理层转变管理理念，按照分级管理的理念，将电厂有限的维护资源投入到关键重要设备上，以取得核安全和设备可靠性的持续提升。R&VBM技术的应用投产将促进该技术本身所依赖的部件失效模式和失效数据的迭代更新，有力促进设备基础维护数据价值的发掘，提升核电厂精益化管理的核心技术能力。
R&VBM技术提供了一套完整的达成设备高可靠性目标和成本精益管理目标的解决方案，在行业内具备广泛的推广应用价值。按照目前的应用经验，该技术的全面应用可达到在确保核电厂设备可靠性持续提升的前提下，至少降低30%左右的年度维修成本。
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