摘 要：火电机组中调节阀通常用于重要系统中，日常的应用对阀门提出了高可靠性的要求，阀门设计的重点内容需要可靠性量化分析作为支撑和依据。通过建立可靠性数学模型，以火电机组中常见的蒸汽调节阀作为研究对象，对阀门的主要零部件进行了可靠性分配和可靠性预计的量化性分析。从可靠性量化分析的数据中得知，影响阀门的可靠性关键因素在于阀体，这为阀门设计时提供了理论支持和数据支撑，并指出设计时需要对阀体的安全性等可靠性因素进行重视，从而保证阀门整体的可靠性。
关键词：火电；阀门；可靠性；量化分析
在可靠性研究中，最关心的是产品的可靠性水平，因而研究的主要目的是确定可靠性量化指标。
阀门作为一种通用辅机产品，品种繁多，其广泛应用于电力、 石化和军工等领域[1]。在超超临界火电机组中，阀门在整个工作装置和系统中起着至关重要的作用。阀门的失效会导致系统、设备无法正常工作，电厂发电效率降低，更有甚者会导致灾难性事故的发生[2-5]；因此，要求阀门必须具有高的可靠性。
在整个电厂系统中，带执行机构的自动化阀门处于系统中的关键位置。本文以常见的蒸汽调节阀为例，通过建立可靠性数学模型，进行阀门可靠性量化分析的研究，为进一步的优化设计创造条件。
蒸汽调节阀通常由阀门本体和执行机构及相关附件设备组成(见图1)。阀门本体主要由阀体、阀盖、阀座、阀芯、阀杆和调节芯包等组成。工作参数见表1。
图1 蒸汽调节阀结构图
表1 工作参数
项目指标工作温度/℃470工作介质过热蒸汽工作流量/t·h-1160阀前压力/MPa(g)6.18阀后压力/MPa(g)5.38
根据阀门的工作原理、各设备功能以及可靠性各个单位之间的相互依赖关系，建立的可靠性关系图如图2所示。
图2 阀门可靠性关系图
设各部件的失效率为λi，可靠度为Ri，则阀门可靠性和基本可靠性的可靠度均为：
假定各部件的寿命分布均为指数分布时，即：
Ri(t)=e-λit
则阀门的可靠度为：
Rs(t)=e-λst
式中，λs是设备故障率，
蒸汽调节阀的体积、质量、研制成本以及研制进度等均不影响设备的可靠性分配，所以采用无约束条件的可靠性分配法。可靠性分配采用如下基本原则：1)复杂性高的单元，分配的可靠性指标低；2)重要性高的单元，分配的可靠性指标高；3)环境条件恶劣的单元，分配的可靠性指标低；4)工作时间长的单元，分配的可靠性指标低；5)维修性差的单元，分配的可靠性指标高；6)成熟性和标准化高的单元，分配的可靠性指标高。
本次研究采用蒸汽调节阀较常见的串联系统为对象，组成蒸汽调节阀的各部件故障相对独立，且寿命均服从指数分布。采用评分分配法，按照影响可靠性分配的因素(复杂程度、技术水平、工作时间和环境条件)进行评分，并对评分值进行综合分析，以获得各单元产品之间的可靠性相对比值，再根据相对比值给每个分系统或设备分配可靠性指标。
火电厂的大修期间常规为1年，考虑到常规火电厂实际运行的情况，蒸汽调节阀平均每天起闭5～6次已属频繁，因此1年的起闭次数约为1 825～2 190次，同时参考了相关的标准，本文将蒸汽调节阀的平均故障间隔次数MCBF定为2 500次。
蒸汽调节阀的可靠性指标为
式中，Ci是第i个单元的评分系数，Ci=ωi/ω。ω是系统的评分数，
表2 可靠性分配表
部件名称复杂程度ri1技术发展水平ri2工作时间ri3环境条件ri4各部件评分数ωi各系统评分系数Ci部件分配的平均故障间隔次数MCBFi阀体73566300.2769048阀杆及传动机构45533000.13219000阀芯63565400.23710556芯包53564500.19712667阀座34563600.15815833
通过可靠性分配，使各级设计人员明确了其可靠性设计要求，将可靠性的定量要求分配到了规定的产品层次。从表2可以看出，调节阀分配到阀体中的MCBF相对较小，说明在设计和研制过程中，应针对阀门阀体的设计和制造投入相应多一点的人力、时间和资源，并加强研究，实现这些要求的可能性及方法，以提高其可靠性。
蒸汽调节阀的可靠性预计是在设计阶段对其可靠性进行定量估计，是根据历史产品的可靠性数据、设备的构成和结构特点以及工作环境等因素估计组成设备的部件和设备的可靠性。
同可靠性分配相似，在可靠性数据缺乏且只能获得个别产品可靠性数据的情况下，采用评分预计法，首先对影响可靠性的几种因素(复杂程度、技术水平、工作时间和环境条件)进行评分；然后对评分结果进行综合分析，获得各单元产品之间的可靠性相对比值；再以某一个已知可靠性数据的产品为基准，预计其他产品的可靠性。
采用评分预计法，受人为影响较大，因此，运用时应尽可能多参照同类的蒸汽调节阀进行评分，以保证评分的客观性，提高预计的准确性。蒸汽调节阀的可靠性预计见表3。
表3 蒸汽调节阀可靠性预计表
部件名称可靠性增长系数增长后MCBFi是否满足分配分配给各部件λi(10-6/h)阀体1.010000满足100阀杆及传动机构1.020000满足50阀芯1.012000满足83芯包1.015000满足67阀座1.018000满足56总计356
根据表3计算设备平均故障间隔时间，得：MCBFi=1/λ=1/(356×10-6)=2 809，满足液动闸阀可靠性指标>2 500次的要求。
通过可靠性预计，得出预计的MCBF满足电厂1年使用次数的要求，并且发现影响系统可靠性的主要因素为阀体，所以在保障满足系统提出的要求的前提下，可以采取相应的设计措施，或定期更换易损件来提高部件的可靠性，从而提高整个设备的可靠性。
通过进行蒸汽调节阀可靠性分配及可靠性预计的定量分析，可以得出如下结论：影响调节阀可靠性的关键因素是阀体。火电机组中关键阀门的阀体失效所带来的影响往往是灾难性的，远大于阀门卡涩、泄漏和振动所引起的危害；因此，在调节阀的设计中，设计人员除了应对调节性能、泄漏等问题进行关注，更应将阀门设备的阀体安全性放在首要的位置，同时在生产和制造中也应多设置相关检验手段，以确保阀门设备的整体可靠性。
参考文献：
[1] 陆培文.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2] 付青林.阀门可靠性技术研究现状和展望[J].中国新技术新产品，2013(3)：134.
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[4] 邱金水,李少杰,刘少刚,等.舰船特种阀门极少失效条件下可靠性寿命研究[J].哈尔滨工程大学学报，2012(9):1086-1090.
[5] 王鹏,李运华.一种高压大流量气动电磁阀的可靠性分析[J].液压气动与密封，2010(2):15-18.
[6] GJB 813—1990，可靠性模型的建立和可靠性预计 [S].
[7] GB/T 4213—2008，气动调节阀[S].
责任编辑 马彤
Reliability Quantitative Analysis of the Thermal Power Plant Valves
LI Jun, XING Guojun, FEI Min
(POWERCHINA Shanghai Power Equipment Manufacture Co., Ltd., Shanghai 201316, China)
Abstract：Control valve is usually used for important system in thermal power plant. The valve needs to be high reliable in daily use. The reliability quantitative analysis serves as the support and basis in valve design. By establishing the reliability mathematical model and setting the steam control valve as the research object, the quantitative analysis of reliability distribution and reliability prediction is done for main components of valve. The data of the quantitative analysis of reliability points out that the key factor affecting the reliability is the valve body, which provides theoretical support and data support for valve design. Furthermore, it is also pointed out that we should pay attention to safety and other reliability factors of the valve body to ensure the overall reliability of the valve.
Key words：thermal power plant, valve, reliability, quantitative analysis
中图分类号：TB 114.3
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